la chapa como elemento resistente

Transcripción

MANUEL PEREZ VAZQUEZ
INGENIERO TECNICO INDUSTRIAL
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LA CHAPA DE PISO COMO ELEMENTO RESISTENTE.
1.- OBJETO DEL ESTUDIO.
El precio del m2 de la superficie en planta, así como la
conveniencia de la proximidad entre equipos para
economizar en conductos de transporte de fluidos y
electricidad, ha convertido a las plataformas elevadas en un
elemento auxiliar imprescindible en la ingeniería de
instalaciones.
Asimismo la necesidad de crear vías de comunicación
salvando desniveles, también ha encontrado en las
plataformas elevadas un magnifico aliado.
Los materiales de construcción de estas plataformas varían
según el entorno en el que son construidas, las características
resistentes o el ambiente de trabajo.
Así, en ambientes exteriores, son comunes plataformas de
hormigón. Las plataformas de madera se reservan
normalmente para espacios sociales o comerciales donde el
aspecto y la integración en la decoración son importantes.
Las plataformas metálicas, de acero estructural, son las más
comunes, y son utilizadas en todos los escenarios industriales
de forma masiva.
Este estudio se ocupa de este tipo de plataformas, construidas
normalmente en base a un esqueleto resistente de perfileria
metálica normalizada y un piso de chapa de acero que
permita el apoyo de equipos y el transito de personas o vehículos
El piso o vía de rodadura de estas plataformas, puede estar
formado por una gran variedad de elementos normalizados de
comercio:
• Enrejados tipo tramex, robustos e interesantes en
ambientes húmedos y limpieza frecuente.
• Enrejados ligeros tipo malla electro soldada, para paso o
uso ocasional, y zonas donde no quiera dificultarse el
paso del agua de los sistemas contra incendios hacia zonas inferiores.
• Chapa estriada o punta de diamante, que proporciona un piso estable,
estanqueidad si así se desea y que protege de caída de objetos las áreas situadas
por abajo.
En los casos de chapa estriada o punta de diamante, para estabilizar las láminas
metálicas encima del esqueleto resistente, se atornillan o se sueldan a dicha estructura.
La mayoría de los cálculos que se realizan para dimensionar este tipo de plataformas,
obvian o no tienen en cuenta de manera formal la colaboración de la chapa soldada
sobre dicha estructura.
El objeto de este estudio es demostrar que se puede economizar en perfileria metálica
resistente si se tiene en cuenta la colaboración de las láminas de chapa, y se calcula la
estructura como un conjunto global perfileria-chapa.
Si bien es verdad que esta consideración obliga a la utilización de chapa más resistente
(espesores 5-7, 6-8), así como a la realización de soldaduras resistentes entre chapa y
perfileria, la economía obtenida compensa estas tareas complementarias.
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2.- DESCRIPCION DEL PROCESO DE ANALISIS.
2.1- PROCESO DE ANALISIS.
Para realizar el análisis comparativo de ambos modos de
cálculo, definimos una plataforma metálica convencional,
realizada por pefileria IPE, sobre la que se suelda la
chapa metálica.
Los extremos de la plataforma están empotrados en
hormigón, y la sobrecarga permanente de diseño es de
2,5 T/m2
Una vez definida la plataforma, y para poder realizar
una comparación precisa, se toma una sección de
dicha plataforma y se calcula por dos procedimientos:
1.- Calculo en un programa de diseño de estructuras
convencional, y que no tiene en cuenta la colaboración de la chapa.
2.-Calculo de la misma sección en un software de calculo
de esfuerzos por ecuaciones diferenciales y elementos
finitos, considerando que la chapa esta unida de forma
solidaria a la perfileria resistente, y colabora con ella.
3.- Calculo de la soldadura que es necesario realizar para
garantizar esta unión.
4.- Calculo de costes de la estructura, así como la soldadura
que es necesario realizar.
2.2.- CARACTERISTICAS TECNICAS DE LA PLATAFORMA Y LOS
MATERIALES UTILIZADOS.
Sobrecarga plataforma
2,5 T /m2
Piso plataforma
Chapa estriada 4-6
Dimensiones laminas chapa
2 x 1 m.
Espesor nominal chapa
4 mm
Peso chapa
3 6 kg/m2
Calidad chapa
S235J
Estructura resistente
IPE 220
Distancia entre IPE
0,5 m.
Longitud IPE
6 m.
Peso IPE 160
15,9 Kg/m
Calidad acero
S235J
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2.3.- PROCESO DE ANALISIS DE AMBOS TIPOS DE CÁLCULO.
Para analizar el comportamiento de ambos tipos de elemento, realizamos dos cálculos
numéricos.
El primero se realiza mediante una simulación numérica de ecuaciones diferenciales
sobre elementos finitos.
El segundo se realiza sin tener en cuenta la colaboración de la chapa, y se hace sobre un
software convencional de cálculo de estructuras.
2.3.1.- CALCULO TENIENDO EN CUENTA LA COLABORACION DE LA CHAPA
Sobrecarga prevista: 2,5 T/m2
Distancia entre vigas de soporte: 0,5 m.
Sobrecarga en cada elemento viga-chapa: 2,5 T/m2
2.3.1.1.- Materiales utilizados
•
•
•
•
Tipo de material: Acero estructural.
Densidad: 7 850 Kg./m3.
Modulo de Young: 200 e9
Coeficiente de Poisson: 0,33
2.3.1.2.- Malla
Tipo de malla: De barrido con elementos finitos
de forma prismático-triangular.
Numero de elementos: 2.460.
2.3.1.3.-Deformaciones. Flecha.
La flecha máxima es en centro de
vano.
Fmax= 12 mm. (L/500)
2.3.1.4.- Esfuerzos
El esfuerzo máximo sobre el elemento
estructural es en el empotramiento de
los extremos.
Esfuerzo máximos 1 749 Kg./cm2
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2.3.2.- CALCULO SIN TENER EN CUENTA LA COLABORACION DE LA
CHAPA.
Sobrecarga prevista: 2,5 T/m2
Distancia entre vigas de soporte: 0,5 m.
Sobrecarga en cada viga: 1,25 T/m.l.
El resultado del primer cálculo es que el perfil
previsto IPN 160 es insuficiente para la carga
prevista
Redimensionamos por tanto, y obtenemos que el
perfil valido para esta carga es IPE 220.
2.3.2.1.- Materiales utilizados
2.3.2.2.- Esfuerzos calculados
• N: Esfuerzo axial (Tn)
• Vy: Esfuerzo cortante según el eje local Y de la barra. (Tn)
• Vz: Esfuerzo cortante según el eje local Z de la barra. (Tn)
• Mt: Momento torsor (Tn·m)
• My: Momento flector en el plano 'XY' (giro de la sección respecto al eje local 'Z'
de la barra). (Tn·m)
• Mz: Momento flector en el plano 'XZ' (giro de la sección respecto al eje local 'Y'
de la barra). (Tn·m)
Con este perfil tenemos un coeficiente de aprovechamiento de 77,7% (Tensión de 2,02
T/cm2).
Las leyes de momentos son:
La flecha máxima en centro de vano es de 8,07 mm (L/750).
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2.3.3.- CALCULO DE LA SOLDADURA NECESARIA PARA HACER SOLIDARIA
CHAPA Y PERFILES METALICOS.
Momento máximo 5,09 T. m.
Esfuerzo tangencial máximos 5,09/0,16 = 31,81 T
Calculo de longitud de soldadura necesaria:
Suponemos un espesor de
garganta de 3 mm (el máximo
será 4, que es el espesor de la
chapa).
Con estas características, y una
longitud de soldadura de 2 x 600
mm, tendremos un margen de
seguridad de 2.
Por lo tanto,
Long. Soldadura = 600 mm a
cada lado de cada perfil.
Por geometría, aplicaremos
cordones de 1 cm. de longitud
cada 10 cm. de perfil.
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3.- CALCULO DE COSTES.
3.1.- COSTE POR M2 DE LA PLATAFORMA SI NO TENEMOS EN CUENTA
LA CHAPA COMO ELEMENTO ESTRUCTURAL.
Kg. de acero estructural = Kg. de IPE 220 = 26,22 Kg./m.l.
Como las IPE van cada 0,5 m. = 26,22/0,5 = 52,44 Kg./m2.
Kg. de acero en chapa: 36 Kg./m2.
3.2.- COSTE POR M2 DE LA PLATAFORMA TENIENDO EN CUENTA LA
COLABORACION DE LA CHAPA
Kg de acero estructural = Kg de IPE 160 = 15,9 Kg/m.l.
Como las IPE van cada 0,5 m. = 15,9/0,5 = 31,8 Kg/m2.
Kg de acero en chapa: 36 Kg/m2.
M.L. de cordón de soldadura 1, 2 m.l. sobre 6 m.l. => 0,2 m.l. cordón por m.l. de perfil.
Como los perfiles van cada 0,5 m. = 0,2/0,5 = 0,4 m.l. cordón soldadura por m2 de
plataforma.
3.3.- COSTES UNITARIOS.
3.3.1.- COSTE UNITARIO DE KG DE ACERO ESTRUCTURAL.
Descompuesto Ud
mt07ala010a
mt27pfi010
mo012
mo034
Descomposición
Rend.
kg Ac ero laminado UNE-EN 10025 S235JR, en
perfiles laminados en caliente, piezas simples,
para aplic aciones estructurales.
kg Minio elec trolítico.
h Oficial 1ª montador de estruc tura metálica.
h Ayudante montador de estructura metálica.
1,050
p.s.
Precio partida
1,05
1,10
0,010 9,30
0,025 18,29
0,040 16,23
0,09
0,46
0,65
% Medios auxiliares
2,000
2,30
0,05
% Costes indirectos
3,000
2,35
0,07
Total:
2,42
3.3.2.- COSTE UNITARIO DE CHAPA ESTRIADA.
Descompuesto Ud
mt07ala010a
mt27pfi010
mo012
mo034
Descomposición
Rend.
kg Ac ero laminado UNE-EN 10025 S235JR, en
perfiles laminados en caliente, piezas simples,
para aplic aciones estructurales.
kg Minio elec trolítico.
h Oficial 1ª montador de estruc tura metálica.
h Ayudante montador de estructura metálica.
1,050
p.s.
Precio partida
1,70
1,79
0,010 9,30
0,025 18,29
0,040 16,23
0,09
0,46
0,65
% Medios auxiliares
2,000
0,06
% Costes indirectos
3,000
2,99
3,05
0,09
Total:
3,14
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3.3.3.- COSTE DE LA SOLDADURA
Calculamos el coste de la soldadura
El coste de la soldadura se calcula con la hoja de calculo WELDCOST.
Weld cost per 1 meter
Domex, t=3-16mm, MIG/MAG-welding
But weld
4
Fillet weld
0
13,44
0,13
2,60
0
0,00
0
25
35
Filler material cost (Euro/Kg)*
Gas price (Euro/m³)
Operator cost (Euro/h)
Machine cost (Euro/h)
5,57
5,75
18,29
10
5,57
5,75
18,29
10
Weld time (min/m)
Filler material cost (Euro/m)
Gas cost (Euro/m)
Operator cost (Euro/m)
Machine cost (Euro/m)
10,42
0,71
0,18
3,18
1,74
0
0,00
0,00
0,00
0,00
5,80
0,00
Plate thickness (mm)
Weld metal area (mm²)
Weld metal volume (Kg/m)
Arc time (min/m)
Arc time factor (%)
Total Welding cost (Euro/m
Throat thick.
0
* Welding of EHS-steel with welds located in high stress areas, matching or overmatching
filler material (EHS-material) is recommended.
Conclusión: El coste por metro de soldadura es de 5,8 €.
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4.- CONCLUSION.
CONCEPTOS
CHAPA
COLABORANTE
CHAPA NO
COLABORANTE
TIPO DE PERFIL LAMINADO
IPE 160
IPE 220
PESO PERFIL LAMINADO POR m2 (Kg)
31,85
52,44
ESPESOR DE CHAPA ESTRIADA
4/6
4/6
PESO DE CHAPA ESTRIADA POR m2 (Kg)
36
36
M.L. DE CORDON DE SOLDADURA SUPLEMENTARIO POR m2
0,4
0
PRECIO DE ESTRUCTURA METALICA DE PERFILES LAMINADOS (€/Kg)
2,42
PRECIO DE CHAPA ESTRIADA MONTADA SOBRE ESTRUCTURA (€/Kg)
3,14
PRECIO DE M.L. DE SOLDADURA SUPLEMENTARIA (€/M.L.)
5,80
0
COSTE PERFILERIA METALICA €/M2
77,07
126,9
COSTE CHAPA ESTRIADA €/M2
113,04
113,04
COSTE SOLDADURA SUPLEMENTARIA €/M2
2,32
0
COSTE TOTAL €/M2
192,43
239,94
En conclusión, una diferencia de coste por m2 de 47,64 €, o lo que es lo mismo una
diferencia de -20% del precio global de estructura y chapa.
Una opción mas a tener en cuenta a la hora de realizar estudios de optimización de
estructuras metálicas para creación de pasarelas y entreplantas de servicio, que
repercutirá positivamente además en el resto de tareas (mas facilidad de montaje, menos
pintura, menos sobrecarga sobre cimentación, etc.).
Si bien es verdad que implica un calculo mas preciso, mediante ecuaciones diferenciales
y elementos finitos, hoy el software para realizar este tipo de calculo esta al alcance de
prácticamente todos los profesionales del sector que lo desee, y corren bajo cualquier
ordenador personal de los habitualmente usados hoy en día.
5.- BIBLIOGRAFICA Y DOCUMENTACION.
•
•
•
Calculo de soldaduras on-line con software MEDELWELD.
Calculo costes de soldadura con software WELDCOST.
Calculo costes unitarios acero y chapa BASES DE DATOS CONSTRUCCION.
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