MAQUETA LANZADOR TRONADOR II. CONAE. TECNÓPOLIS DISEÑO SECCIONAL DE LA ESTRUCTURA METALICA

Daniel Osvaldo Troglia. Ing. Civil. www.trogliaangulochiotti.com

José Miguel Pío Angulo. Ing. Civil www.trogliaangulochiotti.com

RESUMEN En el presente trabajo se exponen los aspectos más importantes del diseño y del cálculo seccional y de uniones, de la Estructura de la Maqueta Lanzador Tronador II ejecutada en la exposición Tecnópolis por parte de CONAE, en Villa Martelli, Ciudad Autónoma de Buenos Aires. República Argentina Las características principales de la estructura son su altura libre de 24 mts, su diámetro exterior de 2.4 m y por lo tanto su importante esbeltez global. Se planteó como estructura soporte un octógono de perfiles laminados (F-24) vinculados frente a su flexión alrededor del eje débil mediante elementos transversales horizontales y una estructura de chapa rolados para formar una sección circular. Como criterios de diseño más relevantes se utilizaron elementos de vinculación entre los perfiles para trabajar con la mayor Resistencia de Diseño (para que no condicione el pandeo por compresión alrededor del eje mínimo ni el pandeo lateral torsional) y rigidizadores soldados sobre la chapa. Para el Proyecto se utilizó el Reglamento CIRSOC 301-2005. Se indican también algunos detalles constructivos en cuanto a su resolución y a la forma de construcción de la estructura. Se plantearon uniones soldadas en taller y uniones abulonadas en obra, ya que dada la altura de la estructura se la fabricó en dos partes y se la armó en obra. ABSTRACT In this paper the most important aspects of design and sectional calculation and unions, the structure of the Model Launcher Tronador II executed in the Technopolis exhibition by CONAE, in Villa Martelli, Buenos Aires City. Argentinian Republic. The main features of the structure are its height of 24 meters, its outer diameter of 2.4 m and therefore its major global slenderness. It raised as an octagon support structure of laminated profiles (F-24) linked against flexure about the minor axis by horizontal cross members and a structure-rolled sheet to form a circular section. As most relevant design criteria elements linking profiles to work with greater resistance design were used (not to condition the compressive buckling around the minimum shaft or lateral torsional buckling) and stiffeners welded onto the plate. Project for the Regulation was used CIRSOC 301-2005. Some constructional details are also shown in their resolution and the shape of construction of the structure. workshop and welded joints bolted joints in work, since given the height of the structure was built in two parts and is assembled on site were raised.

http://www.trogliaangulochiotti.com/http://www.trogliaangulochiotti.com/

INTRODUCCION Se plantean los elementos más importantes del diseño y el dimensionamiento seccional y de las uniones de la Torre Metálica ejecutada con una estructura reticulada de perfiles laminados vinculados con una chapa rolada, utilizada en la Exposición TECNOPOLIS como maqueta del COHETE TRONADOR II por CONAE y ejecutada por la empresa ENCO S.A. (ver Figuras 1, 2, 3 y 4). En primer lugar se indican las características geométricas de la Torre (vista lateral, sección transversal), y los materiales utilizados. Luego se verifican seccionalmente los elementos que componen la estructura principal que está formada por un octógono de perfiles laminados tipo Doble Te (IPN) (Parantes) vinculados mediante elementos transversales de tubos estructurales (rolados) donde se suelda una chapa estructural de espesor 2.5 mm reforzadas con rigidizadores de planchuelas. Los parantes se encuentran solicitados principalmente a compresión y tracción y en menor medida flexión. En la parte inferior termina sin chapa pero con diagonalizaciones para evitar una flexión importante en los parantes. Después se indican las verificaciones de algunas de las uniones y resoluciones constructivas del proyecto: el montaje se planteó en dos etapas, la primera se abulonó a los pernos de anclaje (varillas roscadas embebidas en la fundación) y la segunda parte de la torre se vinculó mediante un empalme abulonado.

Figura Nº1: Fotografía del Montaje de la Torre Metálica. Dos tramos

Figura Nº2: Fotografía del Montaje de la Torre Metálica.

Figura Nº3: Fotografía de la Fabricación de la Torre Metálica

Figura Nº4: Fotografía de la Fabricación de la Torre Metálica

DATOS DE LA TORRE METALICA. MATERIALES La sección planteada mediante un octógono de perfiles doble vinculados con tubos transversales y una chapa como cierre ambos rolados. Tiene una altura total de aporx. 24 mts. (Ver figuras 5 y 6) Los Perfiles laminados son F-24, con tensión de fluencia Fy=235 MPa, y Fu=370 MPa. Los tubos son TE-22 con Fy=230 MPa y Fu=420 MPa. Para las chapas utilizadas tanto para la de cierre como los rigidizadores se utilizó acero F-24, con Fy=250 MPa y Fu=400 MPa. Las soldaduras se dimensionaron con una tensión de rotura del Electrodo de Fw=0.6 FEXX, Fw= 0.6 x 480 MPa = 288 MPa, como mínimo. Los bulones son de tipo ASTM A-325, Fy > 800 MPa.

Figura Nº5: Sección Transversal de la Torre Metálica

Figura Nº6: Vistas Lateral-Frente de la Torre Metálica

NORMATIVA. DETERMINACION DE ESFUERZOS. RESISTENCIA REQUERIDA

Se plantea la utilización de las Normativas por Estados Límites con la mayoración de los estados nominales y la minoración de las resistencias nominales para las diferentes solicitaciones de sección. De acuerdo a lo establecido en general por el Reglamento CIRSOC 105 y en función de lo establecido por el reglamento por estados limites CIRSOC 301, en base al proyecto y a las normas bases las combinaciones de acciones últimas propuestas son: 1.2 D + 1.6 L + 1.6 Lr (1) 1.2 D + 1.5 W + 0.5 L (2) 0.9 D + 1.5 W (3) 1.2 D + 1.6 L + 0.8 W (4) Siendo: D = Cargas permanentes (Peso propio de cubierta, entrepiso, cielorraso, estructura). L = Sobrecarga entrepisos. Lr = Sobrecarga de mantenimiento. W = Viento en las 2 direcciones y sentidos (W1z - W2z - W3x - W4x). La Resistencia Requerida es la combinación más desfavorable de las acciones Nominales. Las mismas fueron extraídas del modelo tridimensional (1)

.

Figura Nº7: Vista modelo Tridimensional, Secciones de Esfuerzos y Resistencia requerida

(1) Los esfuerzos y figuras fueron desarrollados en la Consultora TACCI SRL, mediante el Programa RAM Elements® (Bentley).

Figura Nº8: Vista Modelo Tridimensional unifilar

VERIFICACION SECCIONAL PARANTES Cordón Nº1: PNI 140 (flexo-compresión)

Cordón Nº2: PNI 140 (flexo-tracción)

ESTADO TENSIONAL EN LA CHAPA A continuación se detalla las tensiones de comparación mediante el criterio de Von Mises.

Figura Nº9: Tensión de comparación para combinación de servicio CS9 y última

CU5.

Las tensiones en la placa de espesor 3.2 mm últimas son bastante menores a 0.9Fy (829 Kg/cm2= 83 MPa ≤ 0.9Fy = 0.9x235= 211 MPa), lo cual verifica. De todas maneras se rigidizó la chapa mediante rigidizadores intermedios materializados con planchuelas.

VERIFICACION DE UNION DE PARANTE A CABEZAL DE HºAº En la parte inferior, los Parantes se empotran en un “cabezal” de hormigón, a través de una unión abulonada entre una placa base con agujeros que se encuentra soldada en la columna y las varillas roscadas en el Hormigón; una particularidad de este montaje es que se realizó sobre una fundación existente que tenía algunas varillas dejadas en el hormigonado, pero resultaban insuficientes para las nuevas solicitaciones, por lo tanto se colocaron otras colocadas con anclaje químico. El sistema de transmisión de esfuerzos se completa con cartelas soldadas a los parantes y a la placa de apoyo. Todas estas chapas son de acero F-24. (Ver Figura Nº11) Se calculan los insertos para absorber los esfuerzos más desfavorables de flexión (M), normal (N) y corte (V) simultáneos (Resistencia Requerida).

Figura Nº10: Esquema General de Inserto a Flexión

Figura Nº11: Vista Modelo Nudos de apoyo.

Envolvente de reacciones nodales Envolvente de reacciones nodales para: U5=1.2Dd1+0.5L+1.5Wx U6=1.2Dd1+0.5L+1.5Wz U7=0.9Dd1+1.5Wx U8=0.9Dd1+1.5Wz Fuerzas Momentos Nudo Fx ec Fy ec Fz ec Mx ec My ec Mz ec [Ton] [Ton] [Ton] [Kg*m] [Kg*m] [Kg*m] --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 390 Max 0.014 U2 1.166 U2 0.000 U1 0.00000 U1 0.04515 U6 424.77046 U5 Min -2.111 U5 -31.956 U5 -1.202 U6 -61.65400 U6 0.00000 U1 -2.09003 U2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 394 Max -0.008 U8 34.053 U5 0.000 U5 0.00000 U5 0.00000 U5 426.48790 U5 Min -2.134 U5 0.754 U8 -1.202 U6 -61.65400 U6 -0.04515 U6 0.32724 U8 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tabla Nº12. Descripción de reacciones nodales. VERIFICACIÓN DE PRESIÓN DE CONTACTO Se verifica el estado tensional, la sección se encuentra flexo-comprimida y flexo-traccionada. La placa base de apoyo tiene 25x45 cm. La tensión de compresión resulta f = Nu / (d x b) + Mu / (d2 x b) (5) f = 34053/(25x45)+42400/(452x25/6) = 35 kg/cm2

ANCLAJES De acuerdo a la memoria y elementos colocados en la fundación existente los mismos son varillas de diámetro 22 mm de acero SAE-1020; la capacidad del anclaje es: Rd1 = 0.75 x (2.22 x π/4) x 3.0 = 8.55 tn Para este caso como es una estructura existente y fueron restituidos se considera que la capacidad de los mismos es la mitad. Se considerarán 4 conservadoramente. Las dos varillas adicionales de Acero SAE-1020 de 25 mm de diámetro Rd2 = 0.75 x (2.52 x π/4) x 3.0 = 11 tn La Resistencia de diseño total resulta: RdT=8.55 x 4/2 + 11 x 2 = 39.1 t >> 32 t Verifica La capacidad a corte RdV = 4 x 4/2+ 2 x 5.5 = 18tn>>>2.14 Verifica ampliamente PLACA (250x450x25.4) La placa se encuentra flexo comprimida para algunos parantes y flexo-traccionada para otros. La tensión de compresión resultó: fc= 35 Kg/cm2

Flexión de Placa. Compresión Momento en la placa: Mp = 35 x 9.5 2 / 2 = 1579 Kg.cm. Módulo resistente elástico S = 2.542 x 1 / 6 = 1.07 cm3 La tensión resulta: f = 1579 / 1.07 = 1475 Kg/cm2 < 0.9 x 2350 = 2110 Kg/cm2 Verifica Flexión de Placa. Tracción N = 32 t (máxima tracción) Tu1= 32 / (6 x 0.5 + 2) = 6.4 t Momento en la placa: Mp = 6.4 x 4.5 = 28.8 t.cm = 28800 Kg.cm. Módulo resistente elástico S = 12.4 x 2.542 / 6 = 13.3 cm3 La tensión resulta: f = 28800 / 13.3 = 2165 Kg/cm2 ≈ 0.9 x 2350 = 2110 Kg/cm2Verifica CARTELAS (#150x9.5) Flexión por Compresión La carga que debe absorber la cartelas es: qc = 35 x 12.5 = 438 kg/cm Mc = qc x 16 2 / 2 = 56064 kg.cm. Módulo resistente elástico S = 152 x 0.95 / 6 = 35.62 cm3

La tensión resulta: f = 56054 / 35.62 = 1574 Kg/cm2 ≈ 0.9 x 2350 = 2110 Kg/cm2Verifica Flexión por Tracción La carga P que debe absorber la cartelas es: P = 32/4 = 8 t Mc = P x 8 = 64000 kg.cm. Módulo resistente elástico S = 35.62 cm3

La tensión resulta: f = 64000 / 35.62 = 1798 Kg/cm2 ≈ 0.9 x 2350 = 2110 Kg/cm2Verifica Se verificaron luego los estados límites de flexión: PLT y PLF. Se indican en las figuras 13 y 14 los detalles de los insertos.

INSERTO METÁLICO 1 CANT: 4ESC 1:10

Figura Nº13: Detalle de Insertos

Se dimensionan las soldaduras, de acuerdo al Reglamento (1)

Figura Nº14: Detalles de Soldaduras de Inserto.

Figura Nº15: Detalle de Anclaje colocado en fundación.

UNIONES SOLDADAS Y ABULONADAS

• EMPALME DE COLUMNA Los parantes son perfiles IPN140 en el primer tramo y despues IPN120. Ambos

tramos se vinculan mediante una UNION ABULONADA TIPO PRETENSADA (según

denominación de los Reglamentos (1) y (4) con bulones de Calidad ASTM A-325.

A A

B B

C

C

Figura Nº16: Detalles de Unión Abulonada La fuerza normal a transmitir por la unión más solicitada es N = 18 t La cantidad de bulones son 6, Nu1= 18 / 6 = 3 t Bulones Calidad A-325 Ø19.1 mm (3/4”) Capacidad del bulón a corte y a aplastamiento: Rd1 = 0.75 x 2.86 x 6.0 = 12.8 t > Nu1 Verifica Rd2 = 0.75 x 2 x 1.91 x 1.91 x 3.7 = 20 t>>> Nu1 Verifica

Placa de Unión: e=19.1 mm El momento Mp = 3 x 2.5 = 7.5 t.cm Módulo resistente elástico S = 6 x 1.912 / 6 = 3.65 cm3 La tensión resulta: f = 7.5 x 1000 / 3.65 = 2050 Kg/cm2 < 0.9 x 2350 = 2110 Kg/cm2 Verifica

• UNION INFERIOR. DIAGONALIZACION

Figura Nº17: Detalles de Unión Soldada

Se plantea una soldadura de filetes. La resistencia de diseño resulta: Siendo: ɸw=0.6 : coeficiente de minoración de resistencia nominal FEXX=480 MPa; tensión de fluencia del electrodo Fw= 0.6 FEXX; tensión de soldadura para Corte en el área efectiva (según tabla J.2.5

de Reglamento (1)) d = cateto de soldadura = 5 mm = 0.5 cm eg = 0.707 x d: espesor efectivo del filete de soldadura Ls = longitud del cordón de soldadura. nc = número de cordones de soldadura Rd = resistencia de diseño Rd = ɸw Fw eg Ls nc Rd = 0.6 x (0.6 x 4.8) x (0.5 x 0.707) x 8 x 2 = 9.77 t > Nu = 1 t Verifica

ESTADOS DE SERVICIO. • DEFORMACIONES.

Figura Nº18: Planta modelo - Nudos

Envolvente de desplazamientos nodales Nota.- eces el estado de carga crítico Envolvente de desplazamientos nodales para: CS1=Dd1+L CS2=Dd1+L CS3=Dd1+Wx CS4=Dd1+Wz CS5=Dd1+0.7L+0.7Wx CS6=Dd1+0.7L+0.7Wz CS7=Dd1+0.7L+0.7Wx CS8=Dd1+0.7L+0.7Wz CS9=0.9Dd1+Wx CS10=0.9Dd1+Wz Traslación Rotación Nudo X ec Y ec Z ec Rx ec Rz ec [cm] [cm] [cm] [Rad] [Rad] 254 Max 4.316 CS3 0.274 CS3 4.171 CS4 0.00236 CS4 0.00001 CS4 Min 0.000 CS2 -0.015 CS2 0.000 CS9 0.00000 CS3 -0.00280 CS3 292 Max 4.315 CS3 0.258 CS4 4.172 CS4 0.00255 CS4 0.00000 CS2 Min 0.000 CS2 -0.015 CS1 0.000 CS1 -0.00001 CS3 -0.00247 CS3 310 Max 4.314 CS3 0.175 CS4 4.171 CS4 0.00233 CS4 0.00005 CS2 Min 0.000 CS10 -0.207 CS3 0.000 CS9 0.00005 CS1 -0.00239 CS3 329 Max 4.316 CS3 -0.011 CS10 4.171 CS4 0.00236 CS4 -0.00001 CS10 Min 0.000 CS10 -0.299 CS3 0.000 CS9 0.00000 CS9 -0.00282 CS3 348 Max 4.314 CS3 -0.057 CS2 4.170 CS4 0.00232 CS4 0.00010 CS10 Min -0.001 CS2 -0.207 CS3 -0.001 CS1 -0.00018 CS3 -0.00239 CS3 368 Max 4.315 CS3 -0.011 CS9 4.172 CS4 0.00257 CS4 0.00000 CS2 Min 0.000 CS2 -0.282 CS4 0.000 CS9 0.00001 CS9 -0.00247 CS3 386 Max 4.315 CS3 0.183 CS3 4.170 CS4 0.00232 CS4 0.00003 CS2 Min 0.000 CS10 -0.198 CS4 0.000 CS9 0.00003 CS1 -0.00241 CS3

Tabla Nº19. Descripción de desplazamientos.

Pueden observarse los desplazamientos máximos horizontales alrededor de 4.4 cm (H/545), notándose la rigidez de la estructura

• PERIODO DE VIBRACION Se verifica el período de la estructura para verificar que el mismo sea menor a 1 s, y que la estructura NO sea flexible, condición tenida en cuenta en la determinación de las acciones de viento. Análisis Modal Espectral

Figura Nº20. Descripción de masas sísmicas.

Se detallan las principales características dinámicas de la estructura. FRECUENCIAS POR MODO: MODO W T [RAD/SEG] [SEG] --------------------------------------- 1 23.02 0.273< 1 2 23.02 0.27294 3 78.93 0.07960 4 78.93 0.07960 5 79.31 0.07922 6 93.40 0.06727 7 104.45 0.06016 8 105.63 0.05948 9 105.65 0.05947 10 105.65 0.05947

AGRADECIMIENTOS Al Ing. Jorge Cuniberti por facilitarnos las fotos de la construcción y montaje de la estructura. Al Ing. Gabriel Troglia por transmitirnos su pasión por la Ingeniería y por las estructuras metálicas. REFERENCIAS (1) Reglamento Argentino de Estructuras de Acero para Edificios CIRSOC 301-2005 (2) Ejemplos de Aplicación del Reglamento Argentino de Estructuras de Acero para Edificios- CIRSOC 301-2005- Parte I y Parte II. (3) Reglamento Argentino de Elementos Estructurales de Tubos de Acero para Edificios CIRSOC 302-2005 (4) Recomendación para Uniones estructurales con Bulones de Alta Resistencia CIRSOC 305-2007 BIBLIOGRAFIA • Libro “Estructuras Metálicas por Estados Límites. 7ma Edición. Autor: Ing. Gabriel Troglia.

• Reglamento Argentino de Estructuras de Acero para Edificios CIRSOC 301-2005.

• Comentarios al Reglamento Argentino de Estructuras de Acero para Edificios CIRSOC 301-2005.

• Reglamento Argentino de Elementos Estructurales de Tubos de Acero para Edificios CIRSOC 302-2005.

• Comentarios al Reglamento Argentino de Elementos Estructurales de Tubos de Acero para Edificios CIRSOC 302-2005.

• Reglamento Argentino para la Soldadura de Estructuras de Acero CIRSOC 304 -2007.

• Recomendación para Uniones Estructurales con Bulones de Alta Resistencia CIRSOC 305-2007.

• Norma AISC.

• Norma AWS

• Ejemplos de Aplicación del Reglamento Argentino de Estructuras de Acero para Edificios- CIRSOC 301-2005- Parte I y Parte II.

RESUMENINTRODUCCIONDATOS DE LA TORRE METALICA. MATERIALESNORMATIVA. DETERMINACION DE ESFUERZOS. RESISTENCIA REQUERIDAVERIFICACION SECCIONAL PARANTESESTADO TENSIONAL EN LA CHAPAVERIFICACION DE UNION DE PARANTE A CABEZAL DE HºAº