ELABORACIÓN DE MEZZANINE PARA SECTOR METALMECÁNICO

Marlon Yesid Pérez Alfonso1, Sebastián Rosas Barahona2 Departamento de ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia

Bogotá, Colombia

1 Cód.: 274059, mypereza@unal.edu.co 2 Cód.: 273449, srosasb@unal.edu.co

RESUMEN

En este documento se busca establecer la

construcción de un mezzanine para una

empresa del sector metalmecánico donde se

establecen parámetros y requerimientos

establecidos que deben cumplir las

condiciones de la compañía, teniendo en

cuenta factores de seguridad y planteando

una solución óptima basada en

conocimientos aplicados de elementos

finitos con ayuda del software ANSYS

ABSTRACT

This document seeks to establish the

construction of a mezzanine for a company

in the metalworking industry where

established parameters and requirements

that must fulfill the conditions of the

company are set, taking into account safety

factors and proposing an optimal solution

based on applied knowledge of elements

finite using ANSYS software

OBJETIVO

Establecer el mejor modelo de

simulación que se adapte a las

condiciones establecidas resultando

viable y que brinde la mejor solución

al problema planteado.

INTRODUCCION

En la ingeniería en muchas ocasiones resulta

necesario el diseño y análisis de estructuras

que permitan dar soluciones a problemas

que se pueden presentar en la práctica, para

esto resulta necesario la implementación y

uso de diferentes herramientas

computacionales de diseño y análisis

estructural como Ansys, que por medio de

elementos finitos proporcionan

comportamientos y efectos que ocurren en

las estructuras, posibilitando una mejor toma

de decisiones al momento de ejecutarse.

Para lo cual Ansys cuenta con una serie de

elementos establecidos como Link, Frame,

Beam, Plane, Shell, que facilitaran el

planteamiento computacional para su

análisis y desarrollo.

PLANTEAMIENTO DISEÑO Y RESULTADOS

Se realizó un mezzanine basado en los

parámetros a cumplir los cuales fueron

dados por la empresa solicitante:

Datos del mezzanine:

Ancho: 6 m Largo: 4 m Altura: 3 m Piso del mezzanine: Alfajor de ¼ pulgada

De acuerdo a la norma NSR 10, la estructura debe ser capaz de soportar 500kg/m2, y la consideración de una carga lateral ficticia igual al 0.2% del peso de la estructura Todos los esfuerzos deben tener un factor de Seguridad de 1.1. La máxima deflexión permisible para cada viga es de L/180 o 20mm Las columnas pueden empotrarse en el piso, suponiendo el uso de pernos de anclaje. Todos los miembros son de acero estructural, E = 200GPa, Sy = 240MPa, v = 0;3; El área bajo el mezzanine debe quedar totalmente libre, por lo que las columnas de soporte deberán ir ubicadas en la periferia, no se permitirá anclajes a la pared ni al techo, y se ignorara en esta ocasión escaleras y barandas en su diseño. Para el modelamiento de la estructura en Ansys se seguirá el siguiente algoritmo: Preferences>>>Structural Se determinó los elementos con el cual trabajará en el diseño de la estructura Preprocessor >>> ElementType >>> Add/Edit/Delete >>> Beam >>> 2 node 188 Preprocessor >>> ElementType >>> Add/Edit/Delete >>> Shell>>> 181quadnode4 Se escoge el material que vamos a usar en la estructura: Para el caso del alfajor, este será de aluminio: Material Props >>> Material Library >>> Import Library >>> ALU6061 Para las vigas se seleccionara como acero estructural de constantes ya establecidas:

Material Props >>>Material models >>> Structural >>> Linear >>> Elastic >>> Isotropic >>> E: 200e9 PRYX: 0.3 Para el elemento Tipo Shell, se determinara el espesor Sections >>> Shell >>> Lay up >>> Add/Edit Para el elemento Tipo Beam, se selecciona el perfil a usar Sections >>> Beam >>> Common Sections Se crean los puntos y líneas de base de la estructura: Preprocessor >>> Modeling >>> Create >>> Keypoints >>> In Active CS Preprocessor >>> Modeling >>> Create >>> Lines >>> Lines >>> Straight Line Se crean por área la lámina de alfajor Preprocessor >>> Modeling >>> Create >>> Areas >>>Arbitrary>>>By Skinning Se procedemos con el enmallado, seleccionando materiales y elementos para cada caso, hay que tener en cuenta la orientación de las vigas horizontales para que el perfil concuerde con los planos establecidos, para esto se agregaran Keypoints de orientación en cada una. Preprocessor >>> Meshing >>> Mesh Tool Para cuestiones de análisis más detallado se seleccionaron divisiones para las vigas verticales 10 divisiones y para las horizontales de 20 divisiones Se colocan restricciones a la las vigas verticales en su base en todas las direcciones (empotramiento) y cargas tanto de presión sobre Area (5000N/m^2).

La carga inercial se colocara sobre el borde

de 6 m o en dirección Z según el sistema de

referencia, bajo la suposición de la

estructura fallara en esta dirección, que

aunque según la norma NSR-10 en A.3.6.3 se

especifica claramente que estas fuerzas que

simulan la actividad sísmica de la zona,

tienen componentes en ambas direcciones

horizontales:

A.3.6.3 — DIRECCIÓN DE APLICACIÓN DE LAS

FUERZAS SÍSMICAS — En zonas de amenaza

sísmica intermedia o alta deben considerarse los

efectos ortogonales, salvo que (1) la estructura

tenga diafragmas flexibles o (2) se trate de

edificios de un piso (naves industriales o similares)

en los cuales no haya irregularidades en planta

del tipo 5P. Los efectos ortogonales pueden

tenerse en cuenta suponiendo la concurrencia

simultánea del 100% de las fuerzas sísmicas en

una dirección y el 30% de las fuerzas sísmicas en

la dirección perpendicular. Debe utilizarse la

combinación que requiera la mayor resistencia

del elemento.

Preprocessor >>> Loads >>> Define Loads >>> Apply >>> Structural >>> Displacement >>> On Keypoints

Preprocessor >>> Loads>>> Define Loads >>> Apply >>> Structural >>> Pressure>>>On Areas Preprocessor >>> Loads>>> Define Loads >>> Apply >>> Structural >>> Pressure>>>On Lines Después de colocar las cargas se ejecuta el programa, y se determina tanto los deformaciones de los elementos como sus diagramas de fuerzas cortantes como momentos flectores. Cabe decir que en este caso el factor de seguridad se tendrá en cuenta en las deformaciones de los elementos.

CASO INICIAL DISEÑO I – Simulación 1

Para el diseño I, los elementos de la

estructura se encuentran distribuidos de la

siguiente manera:

Figura 1

Como suposición inicial se seleccionó el

siguiente perfil para las vigas

Figura 2

Figura3

De acuerdo a la información del perfil se

establece el peso de la estructura:

Material

Viga 29.8((3*6)+(4*2)+(6*2))= 1132.4 kg

Lamina de alfajor de 1/4 in

2700Kg/m^3*(6m*4m*(0.00635m)) = 411.5 kg

Fuerza ficticia

0.2*(1132.4kg+411.5kg)*9.81m/s2

= 3026 N o 3.02 KN

Quedando dimensionada de esta manera:

Figura 4

Estructura Cargada

Figura 5

Deformaciones

Figura 6

Deformaciones

Figura 6

Diagramas de Esfuerzos cortantes XY

Figura 7

Diagramas de Esfuerzos cortantes XZ

Figura 8

Momentos Flectores Y

Figura 9

Momentos Flectores Z

Figura 10

Como se puede observar en la figura los elementos que sufren las mayores deformaciones son la lámina de alfajor alcanzando valores de 0.67 m, para lo cual resulta siendo considerable la ubicación de vigas de refuerzo sobre estos tramos. Otro aspecto evidenciado resulta en que los deformaciones en la viga resultan ser de 0.06m o 60 mm, por encima del permitido. Para esto se simulara nuevamente pero con el refuerzo transversal antes mencionado. CAMBIO DISEÑO ESTRUCTURA - SIMULACION 2

Material

Viga 29.8((3*6)+(4*2)+(6*2)+ (5*2)) =1430.4 kg

Lamina de alfajor de 1/4 in

2700Kg/m^3*(6m*4m*(0.00635m)) = 411.5 kg

Fuerza ficticia

0.2*(1430.4kg+411.5kg)*9.81 m/s2

= 3613 N o 3.6 KN

Diseño 2 Estructura

Figura 11

Deformaciones

Figura 12

Deformaciones

Figura 13

Diagramas de Esfuerzos cortantes X Y

Figura 13

Diagramas de Esfuerzos cortantes X Z

Figura 14

Momentos Flectores Y

Figura 15

Momentos Flectores Z

Figura 16

Como se pudo observar en el cambio de

diseño, al colocar los elementos diagonales y

soportar el alfajor sobre estos, las

deformaciones disminuyeron efectivamente,

dando para este caso una deformacion

maxima de 15mm para las vigas, valor

satisfactorio puesto que no se supera el

estipulado al encontrarse casi 5 mm de este,

lo que le da factibilidad para realizacion de

el diseño propuesto.

Los cortantes y momentos en este caso

cambian drasticamente al introducir estos

nuevos elementos donde se redujeron

permitiendo que los elementos sufren

menos daños por corte o flexion, tambien

cambiaron la ubicación, ya que patra estos

casos actuan mayormente en los nudos

donde se encuentra el elemento diagonal, y

se distribuyeron entre las 6 columnas (MF Z),

aspecto que no ocurrio anteriormente.

En un nuevo analisis se considerara un

cambio de las dimensiones del perfil de tal

manera que la estructura sea mas liviana y

que permita tener un factor de seguridad

cercano a 1.1.

CAMBIO DE PERFIL - SIMULACION 3

Material

Viga 13.5((3*6)+(4*2)+(6*2)+ (5*2))= 648 kg

Lamina de alfajor de 1/4 in

2700Kg/m^3*(6m*4m*(0.00635 m)) = 411.5 kg

Fuerza ficticia 0.2*(648+411.5kg)*9.81 m/s2= 2076 N o

2.1 KN

Deformaciones

Figura 17

Deformaciones

Figura 18

Diagramas de Esfuerzos cortantes XY

Figura 19

Diagramas de Esfuerzos cortantes XZ

Figura 20

Momentos Flectores Y

Figura 21

Momentos Flectores Z

Figura 21

Como se puede ver al reducir la seccion, las

deformaciones aumentaron hasta llegar al

limite permitido, de lo anterior se infiere

que los perfiles seleccionados son los

optimos manteniendo el mismo diseño

propuesto de la estructura desde la segunda

simulacion pero sin considerar para esta

simulacion el factor de seguridad.

Otro factor apreciable es que tanto los

cortantes como los momentos flectores

disminuyeros significativamente por el

cambio de seccion que reduce la fuerza

ficticia, permitiendo que estos efectos no

impacten en gran medida sobre la

estructura.

Se simulara nuevamente pero cambiando los

perfiles de las vigas diagonales aun angulo

establecido.

CAMBIO PERFIL DIAGONAL CON PERFILES

SIMULACION 3 - SIMULACION 4

Material

Viga 13.5((3*6)+(4*2)+(6*2))+9.8(5*2) = 611 kg

Lamina de alfajor de 1/4 in

2700Kg/m^3*(6m*4m*(0.00635m))= 411.5 kg

Fuerza ficticia

0.2*(611+411.5kg)*9.81 m/s2=

2000 N o 2 KN

Angulo Diagonal

Deformaciones

Figura 22

Deformaciones

Figura 23

Diagramas de Esfuerzos cortantes XY

Figura 24

Diagramas de Esfuerzos cortantes XZ

Figura 25

Momentos Flectores Y

Figura 26

Momentos Flectores Z

Figura 27

Como se observó al cambiar el perfil de los elementos diagonales por un ángulo, estos aumentan su deformación hasta los 60 mm, por encima de lo permitido, otro aspecto es el aumento considerable de los esfuerzos cortantes en los nudos donde se encuentran apoyados las diagonales, con valores muy superiores, que posiblemente se genere falla en estos puntos a utilizarse este diseño, de tal manera que no se considera factible aun así la estructura sea más liviana puesto que no cumple con especificaciones dadas de seguridad.

CONCLUSIONES

De lo anterior se recomienda el uso de la

ESTRUCTURA N° 2, puesto que contempla el

límite de deformaciones máximas

establecidas, la distribución de cortantes y

momentos resulta la más homogénea

posible. Como aspecto final cabe resaltar que

es recomendable para el tipo de carga

utilizar alfajor de acero, de esta manera las

deformaciones sobre la placa serán mucho

menores a las encontradas y permitirá una

mayor durabilidad y estabilidad a la

estructura.

BIBLIOGRAFIA

Ministerio de Ambiente, Vivienda y

Desarrollo Territorial, REGLAMENTO

COLOMBIANO DE CONSTRUCCION

SISMO RESISTENTE -NSR-10

Perfiles comerciales y estructurales,

“aceros laminados en caliente”, [en

linea]. Mayo 2014. Disponible en la

Web:

http://www.deacero.com/Content/P

erfilesEstructurales.pdf

Software ANSYS 14.0