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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingenieriacutea Mecaacutenica y Eleacutectrica
Unidad Profesional Ticomaacuten
INGENIERIA AERONAUTICA
PROPUESTA PARA EL REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR UTILIZADO EN UNA
CALDERA TIPO ldquoDrdquo
SEMINARIO
ldquo INGENIERIA Y MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORA
(IMAC) rdquo
- TESINA -
Que para obtener el titulo de
INEGENIERO EN AERONAUTICA
PRESENTAN
- BRETOacuteN ARANA MIGUEL AacuteNGEL - MORALES MONTERDE CARLOS - SOTO MORALES VICTOR HUGO
ASESORES
Ing Adelaido I Matiacuteas Domiacutenguez M en C Rogelio Hernaacutendez Garciacutea
Meacutexico DF JULIO 2007
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Seminario Ingenieriacutea y Manufactura Asistida por Computadora (IMAC)
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECANICA Y ELECTRICA
ESIME ldquo TICOMAN rdquo
QUE PARA OBTENE EL TITULO DE
ING AERONAacuteUTICA
PRESENTAN
-BRETOacuteN ARANA MIGUEL AacuteNGEL
- MORALES MONTERDE CARLOS -
- SOTO MORALES VICTOR HUGO
SEMINARIO
ldquo INGENIERIA Y MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORA (IMAC) rdquo
ASESORES
Ing Adelaido I Matiacuteas Domiacutenguez M en C Rogelio Hernaacutendez Garciacutea
PROPUESTA PARA EL REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE
DE UN ECONOMIZADOR UTILIZADO EN UNA CALDERA ldquoDrdquo
MEXICO DF JULIO 2007
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PROPUESTA PARA EL REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR UTILIZADO EN UNA
CALDERA TIPO ldquoDrdquo
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DEDICATORIA
Este proyecto final se lo dedico a toda mi familia especialmente a mis padres hermanos en general a toda mi familia y amigos quienes me brindaron todo su apoyo para culminar mis estudios y la realizacioacuten de esta tesina y a todos aquellos que intervinieron en este proyecto como fueron nuestros maestros del seminario y nuestros asesores les dedico mi proyecto final
ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
Iv
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AGRADECIMIENTO
A mi Padres Hermanos y amigos quienes con su confianza carintildeo y apoyo sin escatimar esfuerzo alguno me han convertido en persona de provecho ayudaacutendome al logro de una meta maacutes mi carrera profesional Por compartir tristezas y alegriacuteas eacutexitos y fracasos por todos los detalles que me han brindado durante mi vida como estudiante y por hacer de mi lo que soy ahora por esto y mucho mas mi mas profundo agradecimiento
GRACIAS ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
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INDICE
Portada helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip i Dedicatoriahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip iv Agradecimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip v Glosario de Teacuterminoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii Glosario de Acroacutenimoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix Lista de Figurashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x Listas de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi INTRODUCCIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 CAPIacuteTULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 11 Contextohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 12 Objetivohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4 13 Objetivos especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 14 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6 15 Alcanceshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7 16 Metodologiacutea utilizadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8 CAPITULO 2 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 21 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 CAPITULO 3 TECNOLOGIA DE LOS MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 31 Propuesta de los materialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 32 Tipos de Tornillohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22 CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 41 Modelado de la Propuesta en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 42 Modelado del Soporte en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30 CAPITULO 5 ANALISIS DE ESFUERZOS TENSION CORTE COMPRESION Y FLEXIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 51 Anaacutelisis en Unigraphics y ANSYShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 52 Obtencioacuten de Fuerzas Axialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
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53 Obtencioacuten de Momentos Flexionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43 54 memoria de Caacutelculohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47 ANEXO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 ANEXO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51 BIBLIOGRAFIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
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GLOSARIO DE TERMINOS
Caldera- Es todo aparato a presioacuten en donde el calor procedente de cualquier fuente de energiacutea se transforma en utilizable en forma de caloriacuteas a traveacutes de un medio de transporte en fase liacutequida o vapor Caldera de vapor- Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua Caldera de agua caliente- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110deg Caldera de agua sobrecalentada- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110deg Caldera de fluido teacutermico- Es toda cadera en la que el medio de transporte es un liacutequido distinto del agua Economizador precalentador- Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentacioacuten de la misma Presioacuten de disentildeo- Es la maacutexima presioacuten de trabajo a la temperatura de disentildeo y seraacute utilizada para el caacutelculo resistente de las partes a presioacuten del aparato Presioacuten maacutexima de servicio- Es la presioacuten liacutemite a la que quedaraacute sometido el aparato una vez conectado a la instalacioacuten receptora Temperatura de disentildeo- Es la temperatura prevista en las partes metaacutelicas sometidas a presioacuten en las condiciones maacutes desfavorables de trabajo Conexioacuten Llamamos conexioacuten a la unioacuten de 2 o maacutes vigas ya sean unidas por tornillos soldadura etc Soporte Cosa que recibe el peso de otra e impide que eacutesta se tambalee o caiga
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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54
donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECANICA Y ELECTRICA
ESIME ldquo TICOMAN rdquo
QUE PARA OBTENE EL TITULO DE
ING AERONAacuteUTICA
PRESENTAN
-BRETOacuteN ARANA MIGUEL AacuteNGEL
- MORALES MONTERDE CARLOS -
- SOTO MORALES VICTOR HUGO
SEMINARIO
ldquo INGENIERIA Y MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORA (IMAC) rdquo
ASESORES
Ing Adelaido I Matiacuteas Domiacutenguez M en C Rogelio Hernaacutendez Garciacutea
PROPUESTA PARA EL REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE
DE UN ECONOMIZADOR UTILIZADO EN UNA CALDERA ldquoDrdquo
MEXICO DF JULIO 2007
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PROPUESTA PARA EL REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR UTILIZADO EN UNA
CALDERA TIPO ldquoDrdquo
iii
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DEDICATORIA
Este proyecto final se lo dedico a toda mi familia especialmente a mis padres hermanos en general a toda mi familia y amigos quienes me brindaron todo su apoyo para culminar mis estudios y la realizacioacuten de esta tesina y a todos aquellos que intervinieron en este proyecto como fueron nuestros maestros del seminario y nuestros asesores les dedico mi proyecto final
ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
Iv
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AGRADECIMIENTO
A mi Padres Hermanos y amigos quienes con su confianza carintildeo y apoyo sin escatimar esfuerzo alguno me han convertido en persona de provecho ayudaacutendome al logro de una meta maacutes mi carrera profesional Por compartir tristezas y alegriacuteas eacutexitos y fracasos por todos los detalles que me han brindado durante mi vida como estudiante y por hacer de mi lo que soy ahora por esto y mucho mas mi mas profundo agradecimiento
GRACIAS ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
v
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INDICE
Portada helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip i Dedicatoriahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip iv Agradecimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip v Glosario de Teacuterminoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii Glosario de Acroacutenimoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix Lista de Figurashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x Listas de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi INTRODUCCIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 CAPIacuteTULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 11 Contextohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 12 Objetivohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4 13 Objetivos especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 14 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6 15 Alcanceshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7 16 Metodologiacutea utilizadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8 CAPITULO 2 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 21 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 CAPITULO 3 TECNOLOGIA DE LOS MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 31 Propuesta de los materialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 32 Tipos de Tornillohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22 CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 41 Modelado de la Propuesta en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 42 Modelado del Soporte en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30 CAPITULO 5 ANALISIS DE ESFUERZOS TENSION CORTE COMPRESION Y FLEXIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 51 Anaacutelisis en Unigraphics y ANSYShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 52 Obtencioacuten de Fuerzas Axialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
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53 Obtencioacuten de Momentos Flexionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43 54 memoria de Caacutelculohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47 ANEXO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 ANEXO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51 BIBLIOGRAFIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
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GLOSARIO DE TERMINOS
Caldera- Es todo aparato a presioacuten en donde el calor procedente de cualquier fuente de energiacutea se transforma en utilizable en forma de caloriacuteas a traveacutes de un medio de transporte en fase liacutequida o vapor Caldera de vapor- Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua Caldera de agua caliente- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110deg Caldera de agua sobrecalentada- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110deg Caldera de fluido teacutermico- Es toda cadera en la que el medio de transporte es un liacutequido distinto del agua Economizador precalentador- Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentacioacuten de la misma Presioacuten de disentildeo- Es la maacutexima presioacuten de trabajo a la temperatura de disentildeo y seraacute utilizada para el caacutelculo resistente de las partes a presioacuten del aparato Presioacuten maacutexima de servicio- Es la presioacuten liacutemite a la que quedaraacute sometido el aparato una vez conectado a la instalacioacuten receptora Temperatura de disentildeo- Es la temperatura prevista en las partes metaacutelicas sometidas a presioacuten en las condiciones maacutes desfavorables de trabajo Conexioacuten Llamamos conexioacuten a la unioacuten de 2 o maacutes vigas ya sean unidas por tornillos soldadura etc Soporte Cosa que recibe el peso de otra e impide que eacutesta se tambalee o caiga
viii
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
x
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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40
nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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PROPUESTA PARA EL REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR UTILIZADO EN UNA
CALDERA TIPO ldquoDrdquo
iii
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DEDICATORIA
Este proyecto final se lo dedico a toda mi familia especialmente a mis padres hermanos en general a toda mi familia y amigos quienes me brindaron todo su apoyo para culminar mis estudios y la realizacioacuten de esta tesina y a todos aquellos que intervinieron en este proyecto como fueron nuestros maestros del seminario y nuestros asesores les dedico mi proyecto final
ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
Iv
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AGRADECIMIENTO
A mi Padres Hermanos y amigos quienes con su confianza carintildeo y apoyo sin escatimar esfuerzo alguno me han convertido en persona de provecho ayudaacutendome al logro de una meta maacutes mi carrera profesional Por compartir tristezas y alegriacuteas eacutexitos y fracasos por todos los detalles que me han brindado durante mi vida como estudiante y por hacer de mi lo que soy ahora por esto y mucho mas mi mas profundo agradecimiento
GRACIAS ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
v
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INDICE
Portada helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip i Dedicatoriahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip iv Agradecimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip v Glosario de Teacuterminoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii Glosario de Acroacutenimoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix Lista de Figurashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x Listas de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi INTRODUCCIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 CAPIacuteTULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 11 Contextohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 12 Objetivohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4 13 Objetivos especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 14 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6 15 Alcanceshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7 16 Metodologiacutea utilizadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8 CAPITULO 2 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 21 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 CAPITULO 3 TECNOLOGIA DE LOS MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 31 Propuesta de los materialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 32 Tipos de Tornillohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22 CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 41 Modelado de la Propuesta en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 42 Modelado del Soporte en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30 CAPITULO 5 ANALISIS DE ESFUERZOS TENSION CORTE COMPRESION Y FLEXIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 51 Anaacutelisis en Unigraphics y ANSYShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 52 Obtencioacuten de Fuerzas Axialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
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53 Obtencioacuten de Momentos Flexionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43 54 memoria de Caacutelculohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47 ANEXO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 ANEXO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51 BIBLIOGRAFIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
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GLOSARIO DE TERMINOS
Caldera- Es todo aparato a presioacuten en donde el calor procedente de cualquier fuente de energiacutea se transforma en utilizable en forma de caloriacuteas a traveacutes de un medio de transporte en fase liacutequida o vapor Caldera de vapor- Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua Caldera de agua caliente- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110deg Caldera de agua sobrecalentada- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110deg Caldera de fluido teacutermico- Es toda cadera en la que el medio de transporte es un liacutequido distinto del agua Economizador precalentador- Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentacioacuten de la misma Presioacuten de disentildeo- Es la maacutexima presioacuten de trabajo a la temperatura de disentildeo y seraacute utilizada para el caacutelculo resistente de las partes a presioacuten del aparato Presioacuten maacutexima de servicio- Es la presioacuten liacutemite a la que quedaraacute sometido el aparato una vez conectado a la instalacioacuten receptora Temperatura de disentildeo- Es la temperatura prevista en las partes metaacutelicas sometidas a presioacuten en las condiciones maacutes desfavorables de trabajo Conexioacuten Llamamos conexioacuten a la unioacuten de 2 o maacutes vigas ya sean unidas por tornillos soldadura etc Soporte Cosa que recibe el peso de otra e impide que eacutesta se tambalee o caiga
viii
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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DEDICATORIA
Este proyecto final se lo dedico a toda mi familia especialmente a mis padres hermanos en general a toda mi familia y amigos quienes me brindaron todo su apoyo para culminar mis estudios y la realizacioacuten de esta tesina y a todos aquellos que intervinieron en este proyecto como fueron nuestros maestros del seminario y nuestros asesores les dedico mi proyecto final
ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
Iv
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AGRADECIMIENTO
A mi Padres Hermanos y amigos quienes con su confianza carintildeo y apoyo sin escatimar esfuerzo alguno me han convertido en persona de provecho ayudaacutendome al logro de una meta maacutes mi carrera profesional Por compartir tristezas y alegriacuteas eacutexitos y fracasos por todos los detalles que me han brindado durante mi vida como estudiante y por hacer de mi lo que soy ahora por esto y mucho mas mi mas profundo agradecimiento
GRACIAS ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
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INDICE
Portada helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip i Dedicatoriahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip iv Agradecimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip v Glosario de Teacuterminoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii Glosario de Acroacutenimoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix Lista de Figurashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x Listas de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi INTRODUCCIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 CAPIacuteTULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 11 Contextohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 12 Objetivohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4 13 Objetivos especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 14 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6 15 Alcanceshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7 16 Metodologiacutea utilizadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8 CAPITULO 2 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 21 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 CAPITULO 3 TECNOLOGIA DE LOS MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 31 Propuesta de los materialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 32 Tipos de Tornillohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22 CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 41 Modelado de la Propuesta en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 42 Modelado del Soporte en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30 CAPITULO 5 ANALISIS DE ESFUERZOS TENSION CORTE COMPRESION Y FLEXIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 51 Anaacutelisis en Unigraphics y ANSYShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 52 Obtencioacuten de Fuerzas Axialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
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53 Obtencioacuten de Momentos Flexionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43 54 memoria de Caacutelculohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47 ANEXO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 ANEXO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51 BIBLIOGRAFIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
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GLOSARIO DE TERMINOS
Caldera- Es todo aparato a presioacuten en donde el calor procedente de cualquier fuente de energiacutea se transforma en utilizable en forma de caloriacuteas a traveacutes de un medio de transporte en fase liacutequida o vapor Caldera de vapor- Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua Caldera de agua caliente- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110deg Caldera de agua sobrecalentada- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110deg Caldera de fluido teacutermico- Es toda cadera en la que el medio de transporte es un liacutequido distinto del agua Economizador precalentador- Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentacioacuten de la misma Presioacuten de disentildeo- Es la maacutexima presioacuten de trabajo a la temperatura de disentildeo y seraacute utilizada para el caacutelculo resistente de las partes a presioacuten del aparato Presioacuten maacutexima de servicio- Es la presioacuten liacutemite a la que quedaraacute sometido el aparato una vez conectado a la instalacioacuten receptora Temperatura de disentildeo- Es la temperatura prevista en las partes metaacutelicas sometidas a presioacuten en las condiciones maacutes desfavorables de trabajo Conexioacuten Llamamos conexioacuten a la unioacuten de 2 o maacutes vigas ya sean unidas por tornillos soldadura etc Soporte Cosa que recibe el peso de otra e impide que eacutesta se tambalee o caiga
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
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Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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AGRADECIMIENTO
A mi Padres Hermanos y amigos quienes con su confianza carintildeo y apoyo sin escatimar esfuerzo alguno me han convertido en persona de provecho ayudaacutendome al logro de una meta maacutes mi carrera profesional Por compartir tristezas y alegriacuteas eacutexitos y fracasos por todos los detalles que me han brindado durante mi vida como estudiante y por hacer de mi lo que soy ahora por esto y mucho mas mi mas profundo agradecimiento
GRACIAS ATTE
MIGUEL AacuteNGEL BRETOacuteN ARANA
CARLOS MORALES MONTERDE
VICTOR HUGO SOTO MORALES
v
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INDICE
Portada helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip i Dedicatoriahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip iv Agradecimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip v Glosario de Teacuterminoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii Glosario de Acroacutenimoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix Lista de Figurashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x Listas de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi INTRODUCCIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 CAPIacuteTULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 11 Contextohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 12 Objetivohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4 13 Objetivos especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 14 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6 15 Alcanceshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7 16 Metodologiacutea utilizadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8 CAPITULO 2 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 21 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 CAPITULO 3 TECNOLOGIA DE LOS MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 31 Propuesta de los materialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 32 Tipos de Tornillohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22 CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 41 Modelado de la Propuesta en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 42 Modelado del Soporte en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30 CAPITULO 5 ANALISIS DE ESFUERZOS TENSION CORTE COMPRESION Y FLEXIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 51 Anaacutelisis en Unigraphics y ANSYShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 52 Obtencioacuten de Fuerzas Axialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
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53 Obtencioacuten de Momentos Flexionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43 54 memoria de Caacutelculohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47 ANEXO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 ANEXO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51 BIBLIOGRAFIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
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GLOSARIO DE TERMINOS
Caldera- Es todo aparato a presioacuten en donde el calor procedente de cualquier fuente de energiacutea se transforma en utilizable en forma de caloriacuteas a traveacutes de un medio de transporte en fase liacutequida o vapor Caldera de vapor- Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua Caldera de agua caliente- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110deg Caldera de agua sobrecalentada- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110deg Caldera de fluido teacutermico- Es toda cadera en la que el medio de transporte es un liacutequido distinto del agua Economizador precalentador- Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentacioacuten de la misma Presioacuten de disentildeo- Es la maacutexima presioacuten de trabajo a la temperatura de disentildeo y seraacute utilizada para el caacutelculo resistente de las partes a presioacuten del aparato Presioacuten maacutexima de servicio- Es la presioacuten liacutemite a la que quedaraacute sometido el aparato una vez conectado a la instalacioacuten receptora Temperatura de disentildeo- Es la temperatura prevista en las partes metaacutelicas sometidas a presioacuten en las condiciones maacutes desfavorables de trabajo Conexioacuten Llamamos conexioacuten a la unioacuten de 2 o maacutes vigas ya sean unidas por tornillos soldadura etc Soporte Cosa que recibe el peso de otra e impide que eacutesta se tambalee o caiga
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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INDICE
Portada helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip i Dedicatoriahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip iv Agradecimientoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip v Glosario de Teacuterminoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii Glosario de Acroacutenimoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix Lista de Figurashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip x Listas de tablashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi INTRODUCCIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1 CAPIacuteTULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAhelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 11 Contextohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3 12 Objetivohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4 13 Objetivos especiacuteficohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5 14 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6 15 Alcanceshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7 16 Metodologiacutea utilizadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8 CAPITULO 2 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 21 Antecedenteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9 CAPITULO 3 TECNOLOGIA DE LOS MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 31 Propuesta de los materialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16 32 Tipos de Tornillohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22 CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 41 Modelado de la Propuesta en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphellip 28 42 Modelado del Soporte en Unigraphicshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30 CAPITULO 5 ANALISIS DE ESFUERZOS TENSION CORTE COMPRESION Y FLEXIONhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 51 Anaacutelisis en Unigraphics y ANSYShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36 52 Obtencioacuten de Fuerzas Axialeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
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53 Obtencioacuten de Momentos Flexionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43 54 memoria de Caacutelculohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47 ANEXO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 ANEXO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51 BIBLIOGRAFIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
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GLOSARIO DE TERMINOS
Caldera- Es todo aparato a presioacuten en donde el calor procedente de cualquier fuente de energiacutea se transforma en utilizable en forma de caloriacuteas a traveacutes de un medio de transporte en fase liacutequida o vapor Caldera de vapor- Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua Caldera de agua caliente- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110deg Caldera de agua sobrecalentada- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110deg Caldera de fluido teacutermico- Es toda cadera en la que el medio de transporte es un liacutequido distinto del agua Economizador precalentador- Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentacioacuten de la misma Presioacuten de disentildeo- Es la maacutexima presioacuten de trabajo a la temperatura de disentildeo y seraacute utilizada para el caacutelculo resistente de las partes a presioacuten del aparato Presioacuten maacutexima de servicio- Es la presioacuten liacutemite a la que quedaraacute sometido el aparato una vez conectado a la instalacioacuten receptora Temperatura de disentildeo- Es la temperatura prevista en las partes metaacutelicas sometidas a presioacuten en las condiciones maacutes desfavorables de trabajo Conexioacuten Llamamos conexioacuten a la unioacuten de 2 o maacutes vigas ya sean unidas por tornillos soldadura etc Soporte Cosa que recibe el peso de otra e impide que eacutesta se tambalee o caiga
viii
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
x
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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1
INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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2
Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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53 Obtencioacuten de Momentos Flexionanteshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43 54 memoria de Caacutelculohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47 ANEXO 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49 ANEXO 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51 BIBLIOGRAFIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 60
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GLOSARIO DE TERMINOS
Caldera- Es todo aparato a presioacuten en donde el calor procedente de cualquier fuente de energiacutea se transforma en utilizable en forma de caloriacuteas a traveacutes de un medio de transporte en fase liacutequida o vapor Caldera de vapor- Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua Caldera de agua caliente- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110deg Caldera de agua sobrecalentada- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110deg Caldera de fluido teacutermico- Es toda cadera en la que el medio de transporte es un liacutequido distinto del agua Economizador precalentador- Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentacioacuten de la misma Presioacuten de disentildeo- Es la maacutexima presioacuten de trabajo a la temperatura de disentildeo y seraacute utilizada para el caacutelculo resistente de las partes a presioacuten del aparato Presioacuten maacutexima de servicio- Es la presioacuten liacutemite a la que quedaraacute sometido el aparato una vez conectado a la instalacioacuten receptora Temperatura de disentildeo- Es la temperatura prevista en las partes metaacutelicas sometidas a presioacuten en las condiciones maacutes desfavorables de trabajo Conexioacuten Llamamos conexioacuten a la unioacuten de 2 o maacutes vigas ya sean unidas por tornillos soldadura etc Soporte Cosa que recibe el peso de otra e impide que eacutesta se tambalee o caiga
viii
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
x
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Seminario Ingenieriacutea y Manufactura Asistida por Computadora (IMAC)
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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GLOSARIO DE TERMINOS
Caldera- Es todo aparato a presioacuten en donde el calor procedente de cualquier fuente de energiacutea se transforma en utilizable en forma de caloriacuteas a traveacutes de un medio de transporte en fase liacutequida o vapor Caldera de vapor- Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua Caldera de agua caliente- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110deg Caldera de agua sobrecalentada- Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110deg Caldera de fluido teacutermico- Es toda cadera en la que el medio de transporte es un liacutequido distinto del agua Economizador precalentador- Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentacioacuten de la misma Presioacuten de disentildeo- Es la maacutexima presioacuten de trabajo a la temperatura de disentildeo y seraacute utilizada para el caacutelculo resistente de las partes a presioacuten del aparato Presioacuten maacutexima de servicio- Es la presioacuten liacutemite a la que quedaraacute sometido el aparato una vez conectado a la instalacioacuten receptora Temperatura de disentildeo- Es la temperatura prevista en las partes metaacutelicas sometidas a presioacuten en las condiciones maacutes desfavorables de trabajo Conexioacuten Llamamos conexioacuten a la unioacuten de 2 o maacutes vigas ya sean unidas por tornillos soldadura etc Soporte Cosa que recibe el peso de otra e impide que eacutesta se tambalee o caiga
viii
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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40
nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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GLOSARIO DE ACROacuteNIMOS
Pms La presioacuten maacutexima de servicio en la instalacioacuten expresada en bar Para calderas de agua caliente agua sobrecalentada y de fluido teacutermico la presioacuten maacutexima de servicio se compone de
- La presioacuten debida a la altura geomeacutetrica del liacutequido - La tensioacuten de vapor del portador teacutermico a la temperatura maacutexima de servicio - La presioacuten dinaacutemica producida por la bomba de circulacioacuten
VT Es el volumen total en litros de la caldera maacutes el volumen del sobrecalentador si lo tuviere
I Es el momento de Inercia
b Base
h Altura
σ Esfuerzo
σT Esfuerzo total
σF Esfuerzo flexionante
σA Esfuerzo axial
MMAX Momento maacuteximo
C Distancia del centroide a la fibra maacutes alejada
F Fuerza
A Aacuterea
lbf libras fuerza ix
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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LISTA DE FIGURAS
Figura 21helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ejemplo de calderas en trenes
Figura 22helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip hellipCaldera Clase I (acuotubular)
Figura 23helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Caldera Clase 2 Caldera para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
Figura 24helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiagrama de un economizador
Figura 311helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
Figura 312helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipSeccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
FIGURA 321helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Tornilleriacutea de alta resistencia
FIGURA 322helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Resistencia al corte del tornillo
FIGURA 323helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipEspaciamiento
FIGURA 324helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDiaacutemetros
FIGURA 411helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles FIGURA 412 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipPlacas sujetadoras
FIGURA 412helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Propuesta de conexiones
FIGURA 421helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
FIGURA 422helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
FIGURA 423helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
FIGURA 424helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ensamble general de la estructura del economizador
FIGURA 425helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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LISTA DE TABLAS
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
TABLA 33DIMENSIONES NOMINALES
TABLA 34helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipCOMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
TABLA 35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PERFILES ESTRUCTURALES
TABLA 36helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipESTANDARES DE VIGAS TABLA 37helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip RESISTENCIADE DISENtildeO DE SUJETADORES TABLA 38helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip EZFUERSO DE TENSION NOMINAL DE SUJETADORES EN CONEXIONES TABLA 39hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipDISTANCIAS MINIMAS
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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40
nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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INTRODUCCION
En otro tiempo el disentildeo y fabricacioacuten de partes mecaacutenicas que involucraba
realizar un modelo de diferentes materiales requeriacutea de un numeroso grupo de
trabajo el cual implicaba de mucho tiempo En la actualidad se cuenta con
paquetes de disentildeo asistidos por computados llamados CADCAM (Computer
Arded Desig Computer Manufacturing) esta tecnologiacutea abarca desde el disentildeo
grafico hasta el manejo de datos para el disentildeo y la fabricacioacuten
Con los nuevos meacutetodos para el disentildeo asistido por computadora es posible
realizar tareas complejas como modelar elementos o hasta sistemas complejos y
analizar piezas que estaacuten representadas en dos dimensiones o tres
La practica de la Ingenieriacutea aeronaacuteutica ha originado necesidad en el desarrollo y
evolucioacuten de nuevas tecnologiacuteas para ayudar a la aviacioacuten mexicana Maacutes sin
embargo nuestro conocimiento en la escuela es el de una base para disentildear
aeronaves pero desafortunadamente esta ingenieriacutea en nuestro paiacutes no existe
Por otro lado otra gran oportunidad que nos permite esta ingenieriacutea no es solo en
el aacutembito aeronaacuteutico sino en el automotriz en el metaluacutergico en el mecaacutenico etc
y es por el lado que nosotros como alumnos y parte de una sociedad ingeniera
debemos tratar de profundizar y explotar al maacuteximo
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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Para lograr este proyecto nos ayudaremos de libros y algunos softwares como lo son Unigraphics y ANSYS principalmente ya que todo seraacute por el meacutetodo CAE CAD CAM que fueron las bases del seminario de titulacioacuten y algunas otras fuentes como lo son Internet y referencias de otros soportes ya hechos los cuales nos permitiraacuten ver sus principales carencias y sus caracteriacutesticas que ayudaran a u mejor disentildeo La visioacuten que se pretende tener sobre el redisentildeo es el de un anaacutelisis del modelado por computadora en el software de Ansys el cual nos permitiraacute analizar esfuerzos a soportar de acuerdo a las cargas que le aplicaremos a la estructura el ver que tan resistente seraacute o que tan irresistible seraacute ya que como se menciono es una propuesta de un nuevo disentildeo o bien en su defecto como ya existen soportes de esta iacutendole un redisentildeo
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CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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3
CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11 CONTEXTO
En la actualidad hay en nuestro entorno diferentes tipos de problemaacuteticas
estructurales en este caso el problema al que nos enfrentamos no tiene que ver
nada con el medio aeronaacuteutico este es un problema que quizaacutes nace por la mala
percepcioacuten de disentildeo o por la falta de recursos como algunos softwares
enfocados baacutesicamente al disentildeo y su anaacutelisis de piezas ya que el disentildeo no es
solo crear objetos aparatos sino maacutes bien es brindar a la sociedad una solucioacuten a
alguacuten problema en este trabajo nosotros realizamos la ldquoPROPUESTA PARA EL
REDISENtildeO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DE UN ECONOMIZADOR
UTILIZADO EN UNA CALDERArdquo dando asiacute solucioacuten a este problema
Nuestro equipo de trabajo bajo circunstancias del medio en ingenieriacutea se contacto
con una empresa encargada en desarrollar este tipo de soportes estructurales asiacute
que nosotros decidimos proponer las caracteriacutesticas geomeacutetricas asiacute como hacer
la comparacioacuten de los diferentes materiales ya sean de caracteriacutesticas
estandarizadas o con los relativamente nuevos utilizados en la industria
aeronaacuteutica llamados materiales compuestos para asiacute poder proponerlo como
nuestra tesina y un proyecto alterno con la empresa y de esta forma proponer una
uacutenica solucioacuten para ambos casos el problema constara de redisentildear un soporte
estructural utilizando diferentes vigas perfiles tortilleriacutea y donde sea necesario los
diferentes tipos de soldadura utilizadas en el medio industrial
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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12 OBJETIVO
Proponer la mejora de la geometriacutea de la estructura soporte de un economizador
por medio de los softwares de Unigraphics para su modelado y analizando
posteriormente por medio del ANSYS los resultados obtenidos para ver la
fiabilidad de la nueva geometriacutea
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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40
nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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13 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Realizacioacuten de un modelado en el sofware de disentildeo utilizado en el
seminario IMAC UNIGRAPHICS (NX3)
Realizacioacuten de las soluciones para los esfuerzos ya especificados
mediante el sofware que emplea el meacutetodo del elemento finito ANSYS
Demostrar la fiabilidad del proyecto mediante la tesina que obtendremos
como resultado final de nuestro proyecto
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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14 JUSTIFICACIOacuteN Nace a traveacutes de un problema que se tienen en una empresa del medio estructural
la cual realizoacute una propuesta de geometriacutea para la creacioacuten del soporte similar al
que se analiza en esta tesina su desarrollo fue mal previsto y como resultado el
soporte se vencioacute creando asiacute mayores costos para la empresa y perdida de
tiempo para el cliente
Con este proyecto pretendemos mostrar resultados de los esfuerzos que actuacutean
en condiciones estaacuteticas en un soporte estructural
Brindar una solucioacuten fiable al problema de la geometriacutea estructural por la cual
estaraacute regido nuestro soporte
Obtencioacuten de un objetivo practico como lo es el aplicar nuestros conocimientos
adquiridos en el transcurso del seminario IMAC
Por medio de este proyecto se desea hacer una investigacioacuten para saber si los
materiales compuestos pueden suplir al acero ya estandarizado en el medio
estructural
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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15 ALCANCES
Anaacutelisis estructural estaacutetico del soporte utilizando anaacutelisis numeacuterico mediante el meacutetodo elemento finito con el software ANSYS
Modelado de la geometriacutea usando el software de disentildeo Unigraphics (NX3)
Proponer el tipo materiales con los cuales podremos realizar el anaacutelisis
Obtencioacuten de resultados para los diferentes esfuerzos tensioacuten corte compresioacuten flexioacuten aplastamiento
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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16 METODOLOGIacuteA UTILIZADA
La metodologiacutea que utilizamos fue baacutesicamente fundamentada bajo el meacutetodo
cientiacutefico ya que como se sabe es un proceso de investigacioacuten que consta de 4
etapas esenciales para poder llevarlo a cabo
La observacioacuten del problema
Formulacioacuten de la hipoacutetesis
Disentildeo experimental
Anaacutelisis de resultados y conclusiones
1- En primer instancia acudimos a ver la problemaacutetica que se tiene en la empresa
dedicada a estos procesos cumpliendo asiacute con la primer etapa
2- Se formuloacute una hipoacutetesis del porque se podiacutea haber causado la falla del
soporte
3-En esta etapa gracias a la tecnologiacutea de la actualidad nos permite realizar
nuestro disentildeo experimental en softwares (etapa del modelado)
4-tambieacuten los resultados nos los permiten los softwares de la actualidad
permitieacutendonos asiacute ahorrar tiempo
Es por eso que nuestra tesina se rige bajo esta metodologiacutea
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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CAPITULO 2 MARCO TEORICO 21 Antecedentes
En este capitulo se pretende dar una breve resentildea de iquestque es una caldera y sus
componentes para posteriormente pasar directamente al economizador iquestque es
un economizador iquest y su funcioacuten y partes que lo componen incluyendo el soporte
Calderas de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que
aplicando el calor de un combustible soacutelido liacutequido o gaseoso vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria a continuacioacuten en la siguiente imagen se muestra
como
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para tentildeir ropas producir vapor
para limpieza etc hasta que Papin creoacute una pequentildea caldera llamada
ldquomarmitardquo Se usoacute vapor para intentar mover la primera maacutequina homoacutenima la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor huacutemedo (de baja
temperatura) y al calentarse eacutesta dejaba de producir trabajo uacutetil
Luego de otras experiencias James Watt completoacute una maacutequina de vapor de
funcionamiento continuo que usoacute en su propia faacutebrica ya que era un industrial
ingleacutes muy conocido
La maacutequina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776
Inicialmente fueron empleadas como maacutequinas para accionar bombas de agua de
cilindros verticales Ella fue la impulsora de la revolucioacuten industrial la cual
comenzoacute en ese siglo y continua en el nuestro
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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Maacutequinas de vapor alternativas de variada construccioacuten han sido usadas durante
muchos antildeos como agente motor pero han ido perdiendo gradualmente terreno
frente a las turbinas Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por Kw De potencia necesidad de un mayor
espacio para su instalacioacuten e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
traccioacuten utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros
vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles preparada para
quemar carboacuten o lignito El humo es decir los gases de combustioacuten caliente
pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos (Ver figura 21)
Para medir la potencia de la caldera y como dato anecdoacutetico Watt recurrioacute a
medir la potencia promedio de muchos caballos y obtuvo unos 33000 libras-pie
minuto o sea 550 libras-pieseg valor que denominoacute HORSE POWER potencia
de un caballo
Posteriormente al transferirlo al sistema meacutetrico de unidades daba algo maacutes de
76 kgmseg Pero la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pariacutes resolvioacute
redondear ese valor a 75 maacutes faacutecil de simplificar llamaacutendolo ldquoCaballo Vaporrdquo en
homenaje a Watt
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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Figura 21 Ejemplo de calderas en trenes
Las calderas se pueden clasificar seguacuten las necesidades que se requieran cumplir
ya sea en la industria alimenticia en el metal-mecaacutenica en la mariacutetima etc a
continuacioacuten presentamos la clasificacioacuten mas comuacuten de las calderas en nuestro
paiacutes
Clasificacioacuten de las calderas
Clase primera
a) Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT lt 15000
b) Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT lt 50000
(Ver figura 22)
Clase segunda
a) Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado
anterior
(Ver figura 23)
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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50
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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Figura 22 Caldera Clase I (acuotubular)
Figura 23 Caldera Clase 2 Caldera
Para quemar residuos celuloacutesicos yo combustibles auxiliares soacutelidos yo gaseosos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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La clasificacioacuten de las calderas tambieacuten depende del combustible con el cual se
opera la misma por lo que presentamos los tipos de combustibles que se utilizan
estas 2 clases de calderas
Los tipos de combustible son soacutelidos lentildea chips desperdicios celuloacutesicos de
aserraderos o industrias afines carozo de coco caacutescara de girasol de algodoacuten
de arroz etc
A continuacioacuten se presenta la breve resentildea de iquestqueacute es un economizador y iquestcuaacutel
es su funcioacuten en las calderas de vapor
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera toman
calor de los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie
extendida al agua de alimentacioacuten inmediatamente antes de la entrada a la
caldera Por tanto los economizadores aumentan la eficiencia de la caldera y
tienen la ventaja adicional de reducir el choque teacutermico
En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en la
estructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente En las
calderas de casco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro
de la caldera y la chimenea
La figura 24 es un diagrama de una unidad de este tipo Se pueden usar
economizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en
ambos casos debe tenerse en cuenta la caiacuteda de presioacuten por el economizador al
determinar el tamantildeo de los ventiladores
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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Figura 24 Diagrama de un economizador
En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema
carboacuten aceite o gas El material para el economizador dependeraacute del combustible
puede ser totalmente de acero totalmente de hierro colado o de acero protegido
con hierro colado Se usariacutea una construccioacuten de puro acero con gases no
corrosivos prevenientes de la combustioacuten de gas natural aceite ligero y carboacuten
Se puede usar hierro colado si la condicioacuten del agua de alimentacioacuten es incierta y
cabe la posibilidad de que ataque el barreno del tubo Los combustibles pueden
ser aceite combustible pesado o carboacuten y existe la posibilidad de que las
temperaturas del metal caigan por debajo del punto de rociacuteo aacutecido
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite
combustible pesado o combustible soacutelido y las condiciones del agua de
alimentacioacuten estaacuten debidamente controladas Dado que el hierro colado puede
resistir cierto grado de ataque aacutecido estas unidades tienen la ventaja de poder
operar sin una derivacioacuten de gas en los casos den que se usan suministros
interruptibles de gas natural con aceite como respaldo
Si se instala un economizador es indispensable tener agua pasando por la unidad
en todo momento mientras los quemadores estaacuten operando a fin de evitar la
ebullicioacuten Por tanto las calderas provistas de economizadores cuentan con un
control modulador del agua de almacenamiento Aun asiacute cabe la posibilidad de
que las necesidades de flujo de agua no esteacuten en fase con el reacutegimen de
operacioacuten de los quemadores A fin de evitar dantildeos una vaacutelvula controlada por
temperatura permite verter agua de vuelta en el tanque de alimentacioacuten
manteniendo asiacute un flujo de agua a traveacutes de la unidad Todo economizador debe
contar con una vaacutelvula de seguridad para aliviar la presioacuten
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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CAPITULO 3 TECNOLOGIacuteA DE LOS MATERIALES
31 PROPUESTA DE MATERIALES
Los materiales con los que se pretende realizar la propuesta de la geometriacutea son
materiales que cumplen con las estaacutendares que a continuacioacuten presentaremos en
este rublo tanto las vigas y hasta la misma tortilleriacutea ya que por ser de alta
resistencia tienen que cumplir con lo siguiente
En primer instancia cabe mencionar que le acero estructural con el cual se va a
trabajar es acero A-36 este es un acero de bajo carbono cuyas caracteriacutesticas son
las siguientes
Acero A36
DESCRIPCION Planchas de acero laminadas en caliente calidad
estructural yo calidad comercial con bordes de laminacioacuten o bordes
cortados con figuras geomeacutetricas resaltadas distribuidas en intervalos
regulares en una de las caras
USOS En la construccioacuten de plataformas pisos estructuras de calderas
escaleras equipamiento de transporte y circulacioacuten y estructuras en
general
NORMA TECNICA Adicionalmente estos productos cumplen tambieacuten las
exigencias de la norma estructural respectiva como ASTM A36A36M-96 o
ASTM A283A283M-93a Grado o de la calidad comercial como ASTM
A569A569M-96
CERTIFICACION DE CALIDAD A solicitud del cliente se emite Certificado
de Calidad de cada lote consignaacutendose
Designacioacuten de la Norma Nuacutemero de Colada Composicioacuten Quiacutemica
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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Propiedades Mecaacutenicas (Liacutemite de fluencia y Resistencia a la traccioacuten para
la calidad estructural) Ensayo de Doblado (para la calidad comercial ASTM
A569 y opcional para la calidad estructural ASTM A36 o ASTM A283)
En las siguientes tablas mostramos algunas de las caracteriacutesticas del acero A-36
TABLA 31 COMPOSICION QUIMICA ()
Elementos ASTM A569 ASTM A36 ASTM A283 Grado C
Carbono (C) 015 maacutex 025 maacutex 024 maacutex
Manganeso (Mn) 060 maacutex 08-120 (egt34) 090 maacutex
Foacutesforo (P) 0035 maacutex 0040 maacutex 0035 maacutex
Azufre (S) 0035 maacutex 0050 maacutex 040 maacutex
Silicio (Si) - 040 maacutex 040 maacutex
TABLA 32 PROPIEDADES MECANICAS
Calidad Norma Liacutemite deFluencia(Kgcmsup2)
Resistencia ala Traccioacuten (Kgcmsup2)
Alargamiento ()
Doblado a 180ordm
Comercial ASTM A569 - - - Sin fisura ()
Estructural ASTM A36 ASTM A283 GC
2550 miacuten2090 miacuten
4080-5610 3870-5240
20 miacuten 20 miacuten Sin fisura ()
() Para el ensayo de traccioacuten se considera el espesor medido en la zona libre de resaltes () El ensayo de doblado es opcional y se realiza sobre la cara estirada
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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40
nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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TABLA 33 DIMENSIONES NOMINALES
PLACE A569 PLACE A36 PLACE A283 GC
25 x 1200 x 2400 mm
29 x 1200 x 2400 mm
44 x 1200 x 2400 mm
59 x 1200 x 2400 mm
TABLA 34 COMPORTAMIENTO A TENSIOacuteN
PROPIEDAD MECAacuteNICA RESULTADO
ENSAYO EXIGENCIA
NORMA ASTM A36
ESFUERZO MAXIMO DE TENSIOacuteN (MPa)
4309 400-550
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
2748 250
ELONGACIOacuteN (DUCTILIDAD )
4283 21
DUREZA BRINELL
117 -
Comparacioacuten de resultados de pruebas mecaacutenicas contra requerimientos de la norma ASTM A-36
El acero para condiciones de nuestro arreglo estructural lo utilizaremos en forma
de vigas asiacute que lo que a continuacioacuten son las formas de las vigas con las cuales
trabajaremos
Las Vigas son elementos constructivos de forma horizontal sensiblemente
longitudinal que soporta las cargas constructivas y las transmite hacia los
elementos verticales de sustentacioacuten Las solicitaciones tiacutepicas de las vigas son a
flexioacuten y a cortante de modo que se necesitan materiales que resistan bien los
esfuerzos de traccioacuten como el acero
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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Por su durabilidad impecable acabado economiacutea soldabilidad resistencia y faacutecil
galvanizado nuestros perfiles son utilizados en estructuras metaacutelicas como vigas
de entrepiso columnas cerchas y tijeras estructurales correas para techo y piso
rieles plataformas y barandas de camiones techos y losas
Las vigas con las cuales realizaremos el arreglo estructural son del tipo IPR y CPS
ya que cumplen con las caracteriacutesticas antes mencionadas porque se fabrican con
acero al bajo carbono y utilizaremos de 2 secciones transversales la secciones ldquoUrdquo
y las de seccioacuten ldquoHrdquo las cuales mencionamos sus principales caracteriacutesticas
VIGAS ldquoUrdquo
Vigas con seccioacuten transversal en forma de U Son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 311) Utilizados
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas rejas y portones aberturas
pasamanos de escaleras implementos agriacutecolas y de carreteras
Figura 311 Seccioacuten transversal ldquoUrdquo ASTM A-36
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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En la tabla 35 se presentan los perfiles estructurales son producidos conforme a
las siguientes normas y especificaciones ASTM
TABLA 35 PERFILES ESTRUCTURALES
ASTM A-6 Especificaciones generales para dimensiones y tolerancias
ASTM A-36 Acero estructural de 36 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y de 58 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
ASTM A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 Ksi miacutenimo de resistencia a la tensioacuten
Grado Dual A-36A-572-50
Acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleacioacuten (ARBA) de Columbio o Vanadio de 50 Ksi miacutenimo de liacutemite elaacutestico y 65 - 80 Ksi de resistencia a la tensioacuten
Especificacioacuten canadiense 44 W y 50W
Especificacioacuten estaacutendar para acero estructural
VIGA H
Las Vigas con seccioacuten transversal en forma de ldquoHrdquo son producidas con acero de bajo
tenor de carbono de acuerdo con la norma ASTM A36 (ver figura 312) Se utilizan
principalmente en estructuras metaacutelicas de calderas maacutequinas e implementos agriacutecolas
equipamientos de transporte y chasis de bus y camiones
Figura 312 Seccioacuten transversal ldquoHrdquo ASTM A-36
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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De las siguiente tabla (tabla 36) se seleccionaron las medidas de las vigas que se
van a emplear
TABLA 36ESTANDARES DE VIGAS
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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32 TIPOS DE TORNILLOS
De acuerdo a la propuesta de nuestro disentildeo los tornillos que nosotros
utilizaremos son los A-307 debido a que cumplen con las siguientes caracteriacutesticas
que a continuacioacuten presentamos
En la figura 321 enmarcamos en un ciacuterculo los tornillos que se piensan utilizar
para hacer las conexiones de las vigas
FIGURA 321 Tortilleriacutea de alta resistencia
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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Tipos de conexiones utilizando tornillos
Por empuje aplastamiento o penetracioacuten N - Cuerdas incluidas en el plano de corte X ndash Cuerdas excluidas en el plano corte
Por deslizamiento criacutetico SC ndash Deslizamiento criacutetico Apretado de tornillos y meacutetodos existentes
Tornillos trabajando por empuje tipo N o X simplemente apretados
totalmente apretados o pretensazo Tornillos en deslizamiento criacutetico SC las superficies requieren modos de
apretar totalmente o pretensionar
Meacutetodos de apretado
Meacutetodo de la vuelta de tuerca
Llave de impacto calibrado
Indicador de tensioacuten directa
Tornillo de disentildeo alternativo
El meacutetodo que proponemos por ser el maacutes comuacuten es el la vuelta de tuerca
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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TABLA 37
RESISTENCIA DE TORNILLOS AL CORTANTE En la figura 322 se aprecia resistencia de disentildeo de la conexioacuten
φRv=075 rvx nuacutemero de tornillos
x nuacutemero de plano de corte φ
FIGURA 322 Resistencia al corte del tornillo
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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40
nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
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Nota
Cuando se tiene conexioacuten tipo penetracioacuten en una junta en tensioacuten con placas
de empalme y que tiene tornillos en la trayectoria de la extensioacuten cuya longitud
medida esa direccioacuten exceda 50 pulg (127m) los valores tabulados deben ser
reducidos un 20 (Ver tabla 38)
TABLA 38
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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ESPACIAMIENTO DE LOS TORNILLOS AL BORDE
El espaciamiento de los tornillos al borde de las vigas es de acuerdo con la tabla
39 y a la figura 323 donde se consideroacute los siguientes lineamientos de acuerdo
a las medidas de nuestras vigas a continuacioacuten se ven los valores en la tabla
FIGURA 323 Espaciamiento y TABLA 39 DISTANCIAS MINIMAS
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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40
nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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A continuacioacuten en la figura 324 se presentan los diaacutemetros de los tronillos que
usaremos para la conexioacuten de las vigas ya que la longitud misma del tronillos se
daraacute a conocer maacutes adelante ya que depende de los espesores de las almas de
las vigas
FIGURA 324 Diaacutemetros
La longitud de los tornillos dependeraacute del espesor de las almas de las vigas y de
las placas de sujecioacuten
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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43
53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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CAPITULO 4 PROPUESTA DE LA GEOMETRIacuteA
41 MODELADO DE LA PROPUESTA EN UNIGRAPHICS
Se propone un estructura en forma de marco 4 columnas estaraacuten debidamente
empotradas al suelo con los tornillos antes mencionados constaraacute de 2 niveles
para proporcionar mayor resistencia a la estructura y ademaacutes por se requiere
colocar tuberiacutea del economizador la puedan colocar en este primer nivel en la
figura 411 se ve una primera propuesta del marco que formaraacute el soporte
FIGURA 411 Propuesta de la geometriacutea en 2 niveles
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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43
53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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FIGURA 412 Placas sujetadoras
Como nos muestra la figura 412 esta es la propuesta para las placas que seraacuten
fijadas al suelo para una mayor estabilidad
A demaacutes este tipo de placas iraacuten soldadas a las vigas por el lado de sus secciones
transversales permitieacutendonos realizar las conexiones entre vigas como se
muestra en la siguiente figura
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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43
53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
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FIGURA 412 Propuesta de conexiones
42 MODELADO DEL SOPORTE EN UNIGRAPHICS
En este subcapiacutetulo presentamos como quedaraacute la geometriacutea de acuerdo a los
materiales propuestos con secciones transversales anteriormente mencionadas
longitudes para la tortilleriacutea y modelado general
Primero mostraremos como se modeloacute el soporte pieza por pieza para despueacutes
poder mostrar el ensamble completo de la estructura del soporte en la siguiente
figura se mostraraacute el despiece por llamarlo de alguacuten modo
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
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FIGURA 421 Modelado de viga IPR 8rdquo 266 kgm
En la figura anterior (421) nos permite ver a detalle la seccioacuten transversal de la
viga y los agujeros para realizar la sujecioacuten por medio de tornillos en la seccioacuten
transversal se aprecian 4 tornillos los cuales nos permiten sujetar la estructura al
suelo posteriormente otra imagen de la figura nos deja ver los agujeros en la parte
central de la viga y la otra imagen el la parte final de la misma
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
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FIGURA 422 Modelado de viga IPR 10rdquo 5 frac34rdquo 448 kgm
En la figura 422 nos muestra las vigas de los costados del soporte y sus detalles
de los orificios para los tornillos en ambos extremos es la misma placa con las
mismas medidas de los orificios a las mismas distancias las demaacutes vigas que
conforman la estructura son de las mismas secciones transversales uacutenicamente se
variacutea espesores y capacidades de carga
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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40
nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
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MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
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A continuacioacuten presentamos el modelado de las vigas CPS las cuales son para
unir a las demaacutes vigas para formar el pasillo de personal de mantenimiento
FIGURA 423 Modelado de viga CPS 6rdquo 122 kgm
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
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DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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En esencia estas son las vigas que formaraacuten el ensamble de la estructura final
propuesta solamente se variacutean las longitudes y el reacomodo de los orificios para
lograr las conexiones que se muestran en el anexo 1
Una vez como se mostroacute anteriormente en la figura 411 se cumplioacute con la
propuesta de la geometriacutea ya que como podemos ver ahora en figura 424 asiacute es
como se propone la geometriacutea acorde con los materiales que se propusieron
medidas y estaacutendares de los mismos ahora se procederaacute a realizar el anaacutelisis el
cual lo presentamos a detalle en el siguiente capiacutetulo
FIGURA 424 Ensamble general de la estructura del economizador
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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A continuacioacuten en la Figura 425 se presenta el modelado que se realizoacute del
tornillo de alta resistencia que se pretende usar en las conexiones de las vigas se
estandarizoacute las medidas de los orificios a tres medidas uacutenicamente para evitar
poner mayor atencioacuten en una sola conexioacuten como ejemplo podemos decir que
cada conexioacuten usara los 3 diaacutemetros de los tornillos solo que en distintas
posiciones
FIGURA 425 Modelado del tornillo A-307 de D = 58rdquo
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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Capitulo 5 Anaacutelisis de esfuerzos de tensioacuten corte compresioacuten y flexioacuten
51 ANALISIS EN UNIGRAPHICS Y ANSYS
El modelado del ensamble final (ver figura 424) es tal y como se pensaba
analizar en ANSYS pero como el modelado se realizo en UNIGRAPHICS no nos
es posible realizar la exportacioacuten del ensamble si hubiese sido en una sola pieza
la estructura (soldada) talvez lo hubiera permitido por este motivo se procede a
realizar el anaacutelisis en UNIGRAPHICS pieza por pieza ya que tambieacuten no es
posible analizar como ensamble debido a que la licencia que se maneja en la
escuela es de nivel educativo y no soporta dicho anaacutelisis
Es el mismo procedimiento de anaacutelisis el cual nos va a permitir ver como va a
reaccionar la estructura del soporte en cuanto se aplique la carga (cuando se
simule la colocacioacuten del economizador)
Para analizar las piezas se procede a realizar el mallado de las mismas la malla
no tiene que ser tan densa ya que el mismo paquete no lo soporta y trabariacutea la
computadora en la que se esteacute trabajando la malla en esencia es en cuantas
fracciones se fragmenta la pieza de la estructura para poder analizar por medio del
elemento finito ya que la malla tambieacuten nos permite analizar como reaccionariacutea
cualquier fragmento de la pieza del soporte en la siguiente figura presentamos el
mallado de la estructura completa con el cuadro donde se demuestra que no fue
posible analizar el ensamble del soporte completo ya que como lo mencionamos la
licencia es solo educativa y no tiene la suficiente capacidad de realizarnos el
anaacutelisis
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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59
altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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FIGURA 511Mallado de estructura y orificios
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38
Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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39
De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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43
53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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47
CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
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INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
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MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
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TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
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bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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Como ya mencionamos anteriormente analizaremos el nivel 2 de la estructura del
soporte ya que en la realidad en esa parte fue donde existioacute la falla y por ende no
soportoacute el peso del economizador lo que este software (unigraphics) nos permite
es analizar las vigas solas no como ensamble asiacute que se restrintildeeron las vigas
como si estuvieran ensambladas como se puede ver en la figura 512 el mayor
esfuerzo que se presenta en las vigas laterales de la estructura (vigas maacutes largas
de 19rsquo-2rdquo) se encuentra localizado en la parte maacutes cercana al empotre o en la
conexioacuten con la columna el esfuerzo se puede apreciar de un color rojo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 19rsquo-2rdquo
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
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De igual forma en la figura 513 nos presentan el maacuteximo esfuerzo de las vigas
maacutes cortas las de 9rsquo-8rdquo las cuales son las que por tener longitud maacutes pequentildea
presentan un mayor esfuerzo
FIGURA 512 Anaacutelisis de esfuerzo de las vigas de 8rdquo 5 frac14 ldquo 266 kgm de longitud 9rsquo-8rdquo
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
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MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
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bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
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TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
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DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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nari
Para poder analizar mediante ANSYS es necesario dar a conocer propiedades
como su modulo de elasticidad del acero A-36 su relacioacuten de Poisson etc Ver
tabla 51 de caracteriacutesticas
TABLA 51 CARATERIacuteSTICAS
Moacutedulo de Elasticidad (EX) = 21e6 kgm2 Moacutedulo de Poisson (NUXY) = 028 Densidad (DENS) = 7800 Kgm3 Liacutemite Elaacutestico (SIGYLD) = 2450 kgcm2
A continuacioacuten presentamos los mismos esfuerzos pero ahora mediante el
software de ANSYS cabe hacer la mencioacuten de que se le estaacuten poniendo los
mismos valores de carga y puesto que este software si nos permite analizar la
estructura por completo son las mismas restricciones en ambas paqueteriacuteas de
disentildeo Ver figura 513
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FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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58
b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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41
FIGURA 513 Anaacutelisis de Esfuerzos de la estructura del soporte
La elaboracioacuten del disentildeo en ANSYS fue un modelo idealizado del soporte con las
caracteriacutesticas ya definidas del material del tipo acero A-36 en la memoria de
calculo en ANSYS se analizo como elemento beam4 elaacutestico en 3D
Es importante mencionar que para poder realizar el anaacutelisis es de suma
importancia obtener los momentos de inercia mostrados en el anexo que
llamamos memoria de calculo asiacute como la seccioacuten transversal y el aacuterea total de la
figura el modulo de poisson y demaacutes caracteriacutesticas especificadas dentro de la
misma a continuacioacuten se muestran los resultados arrojados por el software
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42
Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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43
53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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46
Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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52
Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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53
TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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Los ejes donde se realizo el disentildeo es importante contemplarlos para poder
interpretar los sentidos de momentos y fuerzas asiacute como la colocacioacuten del numero
de elementos que constituyen el disentildeo
52 OBTENCION DE FUERZAS AXIALES
Nota
Despueacutes de observar los resultados arrojados por el software se tomara el de
mayor magnitud para opcioacuten de caacutelculo ver siguiente tabla
Tabla 521
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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44
54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
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MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
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bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
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bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
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bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
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53 OBTENCIOacuteN DE MOMENTOS FLEXIONANTES
Con las mismas caracteriacutesticas como en el paso anterior la obtencioacuten del mayor
valor en listado contemplando solo los ejes ldquoYrdquo y ldquoXrdquo ya que en el eje ldquoZrdquo solo
habraacute momentos torcionales se tomaran los valores absolutos de los momentos
arrojados como respuestas del software Ver siguiente tabla
TABLA 531
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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57
b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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54 MEMORIA DE CAacuteLCULO Calculo del momento inercia para una viga del tipo IPR
1I = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I = 2 12bh 3
= 12
)9)(330( 3
=2004
I 3 = 12
bh 3
= 12
)50)(753( 3
=0039
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 20118 T
A= b x h
A1 = (375)(05) = 1875
A = (033)(9) = 297 2
A = (375)(5)= 1875 3
A T = A 1 +A +A = A T = 672 2 3
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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Para poder dar la informacioacuten necesaria al software necesitamos calcular el
momento de inercia de la figura mostrada rotada 90 grados
19212
)753(5012
33
1 === bhI
026012
)330(912
33
2 === bhI
19212
)753(5012
33
3 === bhI
I T = I1 + I 2 + I 3
I = 441 T
Ahora ya observado el listado de resultados podemos deducir que en el eje (z) y
el elemento 3 es donde se encuentra aplicada la mayor fuerza axial
Por lo tanto Elemento 3 = 12441 lbf
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
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INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
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bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
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bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
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bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
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bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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Obtencioacuten de esfuerzos maacuteximos
σ T = σ σ = +F A AF
ICM MAX +
σ 332324811820
)5)(93542( ==F
σ 331851726
12441=A
σ 66250099=T
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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61
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CONCLUSIONES
Esta tesina nos permitioacute cumplir con uno de nuestros objetivos el cual fue aplicar
todos los conocimientos que adquirimos durante el desarrollo del seminario
En base a los resultados obtenidos las conclusiones objetivas a las que podemos
llegar son las siguientes
Los maacuteximos esfuerzos se producen en el nivel superior en la unioacuten del larguero
con la columna debido a la existencia de momentos flectores importantes como
consecuencia del tipo de estructura realizada las vigas los de los largueros
comparten nodos con las vigas de las columnas y cuando se les imprime la carga
de presioacuten esta se distribuye a los largo de los largueros que a su vez por estar
toda la estructura unida se transmite a las columnas que es donde realmente se
producen los maacuteximos esfuerzos por flexioacuten
Por se un marco el segundo nivel sin maacutes material (como puede se un tablero)
mas que las vigas existen mayores desplazamientos hacia el centro
La impresioacuten de los resultados es razonablemente correcta pero se puede
mejorar Tanto los largueros horizontales como los elementos verticales
(columnas) estaacuten fuertemente taladrados de esta forma se consigue reducir peso
a costa de una pequentildea perdida de rigidez Para evaluar la peacuterdida de rigidez por
los taladros y agujeros practicados en las vigas se deberiacutea estudiar en detalle
dichas vigas mediante modelos independientes teniendo como objetivo valores de
desplazamiento concretos para asiacute estimar la rigidez equivalente es decir los
valores de los momentos de inercia equivalentes de la seccioacuten en los dos ejes
locales
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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57
b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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58
b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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En este nuevo modelo tanto las tensiones como los desplazamientos resultantes
seriacutean mayores Habriacutea que sopesar el incremento de tensiones frente a la
ganancia de ahorro de material
Para poder decir con mayor confiabilidad que el proyecto del nuevo redisentildeo va a
soportar correctamente el economizador es necesario realizar una malla maacutes
densa para evaluar la existencia de no linealidad geomeacutetrica se deberiacutea mallar un
larguero de forma independiente con todos los detalles de agujeros y taladros y
realizar el caacutelculo tanto lineal como no lineal Este estudio serviriacutea realmente para
conocer en detalle el funcionamiento de los largueros asiacute como los ahorros de
material conseguidos Estos modelos permitiriacutean caracterizar perfectamente los
largueros y calcular las rigideces equivalentes frente a un larguero totalmente
soacutelido sin agujeros
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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50
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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52
Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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57
b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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58
b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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59
altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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ANEXO 1 FOTOGRAFIacuteAS DE CONEXIONES DE LAS VIGAS
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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57
b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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52
Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Seminario Ingenieriacutea y Manufactura Asistida por Computadora (IMAC)
57
b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Seminario Ingenieriacutea y Manufactura Asistida por Computadora (IMAC)
61
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ANEXO 2 REGLAMENTACION
REGLAMENTO NTC ndash METALICAS (MEXICO)
GENERALIDADES
Tipos de estructura
bull TIPO 1- Comuacutenmente designados marcos riacutegidos o estructuras continuas los miembros que las componen estaacuten unidas por conexiones riacutegidas (nodos riacutegidos) Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 125 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de disentildeo de cada uno de los miembros que une la conexioacuten
bull TIPO 2- Comuacutenmente designados armaduras unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas siendo capaces de transmitir el 100 de las fuerzas normales y cortantes asiacute como momentos no mayores del 20 de los momentos resistentes de disentildeo de los miembros que une la conexioacuten
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52
Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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57
b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
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bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
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bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
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bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
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bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
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bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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Las estructuras tipo 1 se pueden analizar por los meacutetodos elaacutesticos o plaacutesticos para
este uacuteltimo deberaacuten cumplirse las siguientes condiciones
bull Fy lt 08 Fu bull La graacutefica esfuerzo - deformacioacuten debe presentar la siguiente
caracteriacutesticas
bull las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas)
bull Los miembros esteacuten contra venteados lateralmente bull Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plaacutesticas
en la seccioacuten donde hay cargas concentradas
bull No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo fraacutegil
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TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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57
b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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60
BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Seminario Ingenieriacutea y Manufactura Asistida por Computadora (IMAC)
61
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53
TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA
Los tornillos deben satisfacer alguna de las siguientes normas ASTM-325 o ASTM-490 Todos los tornillos A-325 o A-490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensioacuten mayor o igual a la siguiente tabla
Toneladas (meacutetricas)
tornillo A-325 A-440
frac12 54 68
58 86 109
frac34 127 159
78 177 222
1 231 290
1 18 254 363
1 frac14 322 463
1 38 386 549
El fuste es el que da la medida
Tanto la tuerca como el tornillo deben ser de alta resistencia para que sirva la conexioacuten El apriete puede realizarse utilizando medidores de tensioacuten o usando llaves calibradas
Area efectiva al aplastamiento de tornillos es igual a (Aeap)
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Seminario Ingenieriacutea y Manufactura Asistida por Computadora (IMAC)
55
Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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57
b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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donde d=diaacutemetro del fuste Lap = longitud de aplastamiento (grueso de la placa donde se aloja)
Resistencia de disentildeo de tornillos (RT)
donde FR = factor de resistencia Af = aacuterea transversal nominal del fuerte
Los factores de resistencia y las resistencias nominales se dan en la siguiente tabla
Los tornillos que trabajan en tensioacuten directa se dimensionaran de manera que su resistencia requerida promedio calculada con el diaacutemetro nominal y sin considerar tensiones producidas en el apriete no excedan la resistencia de disentildeo La fuerza aplicada en el tornillo seraacute igual a la suma de las provocadas por las fuerzas externas factorizadas maacutes las tensiones producidas por la seccioacuten de palanca debido a la deformacioacuten de las partes conectadas
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
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bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Seminario Ingenieriacutea y Manufactura Asistida por Computadora (IMAC)
61
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Elementos de unioacuten
Resistencia a la tensioacuten Resistencia a cortante
FR Rn (kgcm2) FR Rn (kgcm2)
T A-307 075 3160(1) 06 1900(23)
T A-325 rosca dentro del
plano de corte
075 6330 065 3800(3)
T A-325 rosca fuera del plano
de corte
075 6330 065 8060(3)
T A-490 rosca dentro del
plano de corte
075 7900 065 4750(3)
T A-490 rosca fuera del plano
de corte
075 7900 065 6330(3)
bull Carga elaacutestica uacutenicamente bull Se permite que la rosca esteacute en el plano de corte bull Cuando para unir miembros en tensioacuten se emplean conexiones por
aplastamiento con tornillos colocados en una longitud medida paralelamente en direccioacuten de la fuerza gt de 125 cm los valores se reducen en un 20
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Seminario Ingenieriacutea y Manufactura Asistida por Computadora (IMAC)
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
CV
bull
bull SEROPE KALPAKJIAN ASHOK SAXENA 2000 ENGINEERING AND
TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
bull
bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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Reglamento de Calderas
No 26789-MTSS
EL PRESIDENTE DE LA REPUBLICA
Y EL MINISTRO DE TRABAJO Y SEGURIDAD SOCIAL
En uso de las facultades conferidas por los artiacuteculos 140 incisos 3) 18) y 20) de la Constitucioacuten Poliacutetica de Costa Rica 25 27 28 de la Ley General de la Administracioacuten Puacuteblica y artiacuteculo 274 inciso f) del Tiacutetulo IV del Coacutedigo de Trabajo
Considerando
1degmdashQue la instalacioacuten de calderas se ha incrementado vertiginosamente con mayor velocidad que en deacutecadas anteriores y es previsible el aumento de dichas instalaciones en los antildeos venideros como consecuencia del desarrollo industrial agroindustrial del paiacutes y del aacuterea centroamericana
2degmdashQue el margen de seguridad en las calderas modernas ha mejorado pero no en el tanto necesario para ofrecer la supresioacuten de riesgos de desastre
3degmdashQue en todo caso la instalacioacuten la operacioacuten la conservacioacuten el traslado y las revisiones perioacutedicas de esos equipos ha de tener la vigilancia oficial
4degmdashQue el cumplimiento de la funcioacuten de proteccioacuten a la Seguridad e Higiene de los Trabajadores y de la Ciudadaniacutea en general corresponde al Estado
5degmdashQue de conformidad con las recomendaciones de la Organizacioacuten Internacional del Trabajo 01T de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecaacutenicos ASME de la Asociacioacuten Nacional de Proteccioacuten contra el Fuego NFPA el Instituto de Normas Teacutecnicas de Costa Rica y previa consulta a los Reglamentos de Calderas de paiacuteses con amplia experiencia en la materia y asesorados por profesionales con conocimientos especiacuteficos en calderas procede a emitir un nuevo Reglamento en la materia Por tanto
DECRETAN
a4) Categoriacutea D aquellas calderas que generen hasta 70 Kghora de vapor o que tengan menos de dos metros cuadrados de superficie de calefaccioacuten
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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BIBLIOGRAFIacuteA
bull LAWRENCE E DOYLE MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA PARA INGENIEROS Trad Del Ingles Julio Fourier G
pp 580 713
bull
bull E PAUL DE GARMO 1988MATERIALES Y PROCESOS DE
FABRICACION Editorial Reverte SA
bull
bull JAMES P SCHALLER ASHOK SAXENA 2000 CIENCIA Y DISENtildeO DE
INGENIERIA DE LOS MATERIALES Compantildeiacutea de Editorial Continental
bull
bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
bull
bull RODOLFO LUTHE GARCIA 1998ANALISIS ESTRUCTURAL Alfa o Mega
bull AARON D DEUTSCHMMAN WALTER J MICHELS 1996 DISENtildeO DE
MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
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TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
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bull SHIGLEY JOSEPH EDWARD Traduccioacuten Francisco Paniagua 2000
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b) Con relacioacuten a su uso se clasifican en Nuevas o Usadas
c) Con relacioacuten a su instalacioacuten en permanentes temporales o portaacutetiles
d) Con relacioacuten a su ubicacioacuten en zona rural zona urbana zona industrial o parque industrial
e) Con relacioacuten al combustible usado en de combustible liacutequido buacutenker diesel u otro de combustible soacutelido carboacuten lentildea bagazo u otro de energiacutea eleacutectrica de combustible gaseoso u otro
f) Con relacioacuten al fluido calentado de agua de fluido teacutermico u otro
g) Con relacioacuten a la forma de calentar el fluido de trabajo en igneotubulares acuotubulares eleacutectricas u otras
h) Con relacioacuten a su montaje verticales horizontales de tubos curvos de tubos rectos de domos longitudinales de domos transversales de uno o de varios domos etc
i) Si las calderas son de Categoriacutea D pueden instalarse en cualquier sitio de la faacutebrica o lugar de trabajo siempre que sean colocadas a una distancia miacutenima de tres metros de la viacutea puacuteblica del predio vecino y de cualquier habitacioacuten y a una distancia adecuada entre las calderas y entre las calderas y cualquier pared y el techo que permita su faacutecil operacioacuten y mantenimiento
d) La exigencia del cuarto o del compartimento de calderas no rige para la instalacioacuten de calderas expresamente disentildeadas para funcionar a la intemperie o para aquellas usadas en procesos industriales en que la caldera es parte integral del proceso y que a juicio del Departamento asiacute lo autorice
(Asiacute reformado mediante artiacuteculo 1deg de Decreto Ejecutivo Ndeg29626 de 12 de junio del 2001)
De las fundaciones y las estructuras
Artiacuteculo 20mdashLas fundaciones y las estructuras de soporte de una caldera deben cumplir los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las fundaciones para una caldera seraacuten de un tamantildeo que esteacute acorde con la capacidad soportable del suelo y reforzadas de tal modo que soporten las cargas estaacuteticas y dinaacutemicas impuestas sin asentamientos ni distorsiones que afecten a la caldera y sus auxiliares Las calderas estaraacuten soportadas sobre los cimientos de tal manera que no se desplacen bruscamente por fuerzas horizontales
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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MAQUINAS TEORIA Y PRATICA Compantildeiacutea Editorial Continental SA de
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b) Las estructuras seraacuten construidas para soportar cualquier esfuerzo transmitido a ellas ya sea inherente a la estructura o debido a la expansioacuten de la caldera y de sus soportes seraacuten adecuadamente disentildeadas contra temblores otras cargas dinaacutemicas y las cargas estaacuteticas de la instalacioacuten
c) Las monturas o soportes de las calderas se instalaraacuten de tal manera que las partes sometidas a cambios de temperatura puedan expandirse o contraerse sin dificultad
d) Cuando las columnas de soporte monturas o bases de las calderas estaacuten expuestos a ambientes corrosivos se usaraacuten cimientos de concreto no menores de quince centiacutemetros sobre el nivel del piso corrosivo o se protegeraacuten con concreto de no menos de cinco centiacutemetros de espesor o con alguacuten otro material anticorrosivo hasta una altura superior en veinte centiacutemetros al nivel de exposicioacuten a la corrosioacuten el resto de las estructuras quedaraacute a la vista para su inspeccioacuten perioacutedica y se mantendraacuten bien pintadas
e) En todo caso los cimientos y estructuras quedan sujetos a las disposiciones del Coacutedigo de Construccioacuten y Coacutedigo Siacutesmico
De las chimeneas
Artiacuteculo 21mdashLas chimeneas de las calderas cumpliraacuten con los requisitos miacutenimos siguientes
a) Las chimeneas deberaacuten disentildearse para que resistan las acciones estaacuteticas y dinaacutemicas producidas por las cargas muertas y la actuacioacuten del viento asiacute como los efectos siacutesmicos y situaciones extemas
b) El disentildeo estaacutetico consideraraacute la estabilidad estructural de la chimenea sometida a las fuerzas del viento maacutes las cargas muertas y evitaraacute la aparicioacuten de vibraciones resonantes debidas a la formacioacuten de voacutertices a las velocidades de viento utilizadas para el disentildeo
c) Para evitar una deformacioacuten excesiva de la chimenea en su operacioacuten no se admitiraacuten chapas de espesor inferior a 3 mm
d) Tendraacuten la capacidad necesaria para dar salida a todos los gases producidos por la combustioacuten ademaacutes cuando se use una sola chimenea para una bateriacutea de calderas cada caldera tendraacute sus compuertas para aislarla de los gases de las otras calderas en los periacuteodos de mantenimiento
e) Tendraacuten la altura necesaria para que mantengan la presioacuten necesaria en el homo para una buena combustioacuten y en todo caso en las instalaciones urbanas la
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altura miacutenima seraacute tal que sobresalga cinco metros al techo maacutes alto que se encuentre en un radio de cinco metros alrededor de ella
f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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bull CLIFFORD MATTHEWS 2002 AERONAUTICAL ENGINNEERacuteS DATA
BOOK Butterworth Heinemann
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TECHNOLOGI Addison-Wesley Publishing Company
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DISENtildeO EN INGENIERIA MECANICA Mc GRAW- HILL Tercera Edicioacuten
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f) Deberaacuten ser construidas de tal manera que garanticen su completa estabilidad sin peligro de las edificaciones cercanas
g) Se mantendraacuten limpias interior y exteriormente a este efecto tendraacuten los dispositivos necesarios en la parte inferior para colectar y remover las cenizas
h) Se tomaraacuten las precauciones necesarias para evitar que el agua de lluvia que baja por la chimenea llegue a la caldera o las partes de la estructura evitando asiacute posibles corrosiones y dantildeos
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