Memoria Tecnica Torre 18M LAM0131

8/18/2019 Memoria Tecnica Torre 18M LAM0131

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Torre Ventada de 18 metros Memoria Técnica de Cálculo

MEMORIA TECNICA DE CÁLCULO TORRE VENTADA H=18 M

JULIO - 2015


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Cont enido

1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO2 OBJETIVO

3 NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO

4 ANALISIS DE CARGAS APLICADAS

4.1 Carga muerta

4.2 Carga de equipos de comunicación

4.3 Carga de montaje o viva

4.4 Carga de viento en la estructura

4.5 Carga de viento de las antenas hacia la estructura

4.6 Carga de sismo

5 COMBINACIONES DE CARGAS

6 MATERIALES

6.1 Elementos principales, secundarios y accesorios: Acero ASTM A-36

6.2 Pernos estructurales A-325

6.3 Pernos de anclaje A-615

7 PROCESO DE DISEÑO8 DATOS Y RESULTADOS DE DISEÑO

8.1 Datos de entrada

8.2 Datos de salida

9 DIMIENSIONAMIENTO DE JUNTAS

10 PLACA BASE

11 PERNOS DE ANCLAJE

12 SOLDADURA


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1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

La estructura del análisis está compuesta por 6 tramos de 3m cada una, culminando la estructura con

una longitud total de 18 metros, de 300 mm de lado y sección cuadrada. La estructura está formada

por 4 montantes tubulares metálicos de Ø32mm, arriostrados por barras macizas metálicas de

Ø16mm. La torre queda atirantada con una disposición triangular en cada altura. Es decir 3 cables

por arriostre, dando un total de 12 cables de Ø8mm.

La torre tendrá una base articulada, y obtendrá estabilidad global, gracias a la disposición de cables

metálicos.

Estos elementos forman un conjunto estructural que soportan principalmente cargas muertas y

cargas de viento transmitidos por equipos de comunicación, accesorios, etc. y en sí mismo por la propia estructura.

2 OBJETIVO

El principal objetivo es dimensionar los elementos que conforman la torre de 18m de altura y

posteriormente desarrollar la ingeniería de detalle para la estructura de torre.

3 NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO

a. Análisis y cálculo de cargas de viento en estructura y antenas, según la norma TIA/EIA-222-F.

b. Modelación, análisis estructural y diseño con el programa SAP2000 V15.

c. Código de diseño AISC – LRFD-99.

d. Diseño de elementos metálicos con la norma ASTM-A36 (AASHTO M270 Grado 36).

4 ANALISIS DE CARGAS APLICADAS

4.1 Carga muerta

Se entiende por carga muerta al peso propio de la estructura, este peso es definido por el mismo programa a través de las longitudes, secciones transversales y materiales, asignados a cada

elemento de la estructura.

4.2 Carga de equipos de comunicación

Se ha definido por parte del cliente los equipos de comunicación, que por fines de cálculo se han

ubicado en la cota máxima de la torre, tales equipos se describen en la tabla 1.


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Tabla 1. Equi pos de comunicación a soportar por la torr e.

Equipo Diámetro de Antena [m]

Área Antena

[m²]

Altura [m]

Peso [kg]

Cantidad

MICROWAVE 1,2 1,17 18 200 1

MICROWAVE 1,2 1,17 18 200 1

4.3 Carga de montaje o viva

El peso de dos personas de 80 kg cada una, será ubicado en la cota máxima de la torre, para

considerar el peso de personal de montaje o mantenimiento de la estructura.

4.4 Carga de viento en la estructura

Esta carga se aplica como distribuida en los elementos de la cara frontal de la estructura, para lo

cual se divide la estructura en tramo de 6 metros, según indica la norma: TIA/EIA-222-F, losResultados del cálculo de fuerza se indican la tabla 2 y tabla 3:

Donde:

q Z

G H

C F

A E

= Presión provocada por la velocidad del viento [kg/m²]

= Factor de respuesta a ráfagas para elementos

= Coeficiente de fuerza

= Área efectiva proyectada de los miembros estructurales en una cara [m²]

z = Altura desde suelo a punto medio de sección [m]

V = Velocidad de viento [m/s]

h = Altura total de la torre [m]

C A = Coeficiente de fuerza puntual o lineal de accesorios

A A = Es el área proyectada de accesorios


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Tabl a 2. Cargas de viento en la estructura, velocidad de viento máxima 120 kmph

Tram o Alturamedia

(z) [m ]

Kz qz

(k g/m ²)

GH

Ancho de l e le m e nto e n la car a front alde la torre [m ]

Ae

[m ]

Ag

[m ]

e Cf

Fue rza e n los e le m e ntos de lafrontal [k g/m ]

M ontante Diagonalprincipal

Horizontal M ontante Diagonalprincipal

Horizontal

1 15 1,12 63,21 1,19 0,120 0,050 0,050 2,442 10,967 0,223 2,522 22,8 9,5 9,52 9 1 56,30 1,19 0,140 0,050 0,050 3,087 14,436 0,214 2,550 23,9 8,5 8,53 3 1 56,30 1,19 0,140 0,060 0,050 3,428 19,090 0,180 2,666 25,0 10,7 8,9

4.5 Carga de viento de las antenas hacia la estructura

La magnitud de la fuerza frontal sobre las antenas, se muestra en la tabla 3 y se calcula con la

siguiente ecuación:

Donde:

C a =Coeficiente según el tipo de antena

A =área frontal de la antena (ft2)

V =velocidad básica del viento (mph)

Tabla 3. Cargas de escaleras hacia l a estructura, veloci dad de viento máxima 120 kmph

EquipoDiámetro de

Antena [m]

Área Antena

[m²]

Altura[m]

Peso[kg]

Cantidad Kz GH Fa (Kg) Qz (Kg/m²)

MICROWAVE 1,2 1,17 18 200 1 1,28 1,18 126,01 72,30MICROWAVE 1,2 1,17 18 200 1 1,28 1,18 126,01 72,30

4.6 Carga de sismo

La carga de sismo depende del tipo de suelo y la zona sísmica. La estructura de la torre de 18 m,

será ubicada en la provincia de Chiclayo, la cual posee suelos intermedios y una zona sísmica 3;

los coeficientes según el suelo y la zona se muestran en las tablas 4 y 5, respectivamente, para la

identificación de zona sísmica se puede ver en la figura 1.


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Tabla 4. Coeficientes S y Tp según tipo de suelo

Tipo Descripción S Tp (s)

S1 Roca o suelos muy rígidos 1.0 0.4 S2 Suelos intermedios 1.2 0.6S3 Suelos blandos y estrato profundo 1.4 0.9S4 Condiciones especiales de suelo * *

Tabla 5. Coeficiente de zona sísmica según tipo de suelo

Zona sísmica 1 2 3 Valor factor Z 0.40 0.30 0.15

F igur a 1. I denti fi cación de zonas sími cas en el Perú

La categorización de la estructura según el tipo de servicio que preste se encuentra en la tabla 6,

cuyo factor de importancia es 1.5, por estar en la categoría A.


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Tabla 6. Factor de impor tancia según uso de la estructu ra

CATEGORÍA DE LAS EDIFICACIONES

CATEGORÍA DESCRIPCIÓN FACTORU

A EdificacionesEsenciales

Edificaciones esenciales cuya función no deberíainterrumpirse inmediatamente después que ocurra unsismo, como hospitales, centrales de comunicaciones,cuarteles de bomberos y policía subestacioneseléctricas, reservorios de agua. Centros educativos yedificaciones que puedan servir de refugio después deun desastre. También se incluyen edificaciones cuyocolapso puede representar un riesgo adicional, comograndes hornos, depósitos de materiales inflamables o

tóxicos.

1,5

B EdificacionesImportantes

Edificaciones donde se reúnen gran cantidad de personas como teatros, estadios, centros comerciales,establecimientos penitenciarios, o que guardan patrimonios valiosos como museos, bibliotecas yarchivos especiales.También se considerarán depósitos de granos y otrosalmacenes importantes para el abastecimiento

1,3

C EdificacionesComunes

Edificaciones comunes, cuya falla ocasionaría pérdidas de cuantía intermedia como viviendas,

oficinas, hoteles, restaurantes, depósitos einstalaciones industriales cuya falla no acarree peligrosadicionales de incendios, fugas de contaminantes, etc.

1,0

D Edificaciones Menores Edificaciones cuyas fallas causan pérdidas de menorcuantía y normalmente la probabilidad de causarvíctimas es baja, como cercos de menos de 1,50m dealtura, depósitos temporales, pequeñas viviendastemporales y construcciones similares.

(*)

El factor de reducción de respuesta sísmica se toma de la tabla 7, que corresponde a 6.0 paraestructuras de acero con arriostres en cruz.


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Tabla 7. Factor de reducción para estructur as diferentes a las de edif icación

SISTEMAS ESTRUCTURALES

Sistema EstructuralCoeficiente de Reducción, R Para

estructuras regulares (*) (**)

AceroPórticos dúctiles con uniones resistentesa momentos.

Otras estructuras de acero:Arriostres Excéntricos.Arriostres en Cruz.

9,5

6,5 6,0

Concreto ArmadoPórticos (1).

Dual (2).

De muros estructurales (3).Muros de ductilidad limitada (4).

8 7

6 4

Albañilería Armada o Confinada (5). 3

Madera (Por esfuerzos admisibles) 7

5 COMBINACIONES DE CARGAS

Según la norma de diseño ASD 89, las combinaciones de carga son las siguientes:

Caso 1:1D

Caso 2: 1D + 1L

Caso 3: 1D + 1W

Caso 4: 1D + 1W + 1L

Caso 5: 1D + 1E

Caso 6: 1D + 1E + 1L

Las cargas indicadas en las anteriores combinaciones se describen como: D.- carga muerta; L.-

carga viva o de montaje; W.- carga de viento; E.- carga de sismo.

6 MATERIALES 6.1 Elementos principales, secundarios y accesorios: Acero ASTM A-36:

Esfuerzo de fluencia: Fy = 36 ksi o 2536 Kg/cm2

Límite de ruptura: Fu = 58 ksi o 4086 Kg/cm2

6.2 Per nos estructurales A-325:

Carga de prueba: Fp = 85 ksi o 5988 Kg/cm2

Resistencia mínima a la tracción: Fu = 120 ksi o 8453 Kg/cm

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6.3 Per nos de anclaje A-615:

Esfuerzo de fluencia: Fy = 60 ksi o 4017 Kg/cm2

Límite de ruptura: Fu = 90 ksi o 6026 Kg/cm2

6.4 Cables de Acero 6X7+ 1 : 8mm

Peso: P = 0.2290 Kg/m

Límite de ruptura: Fu = 3,830 Kg

7 PROCESO DE DISEÑO

F igura 2. Proceso de diseño de la estructura de torre


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Una vez que se tiene los datos de carga para la aplicación de cargas, se realiza un modelo

tridimensional, en el cual se asigna: configuración geométrica , perfiles, materiales y cargas.

Posteriormente se analiza los esfuerzos en las juntas para el dimensionamiento; en la figura 2, se

indica los pasos a seguir para proceso de diseño.

8 DATOS Y RESULTADOS DE DISEÑO

8.1 Datos de entrada:

- Modelamiento de la Estructura:

- Asignación de cargas de elementos montantes- Asignación de cargas por mantenimiento y montaje

- Asignación de cargas de viento en la estructura:


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SAP2000 – VISTA EN 3D


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SAP2000 – VISTA DE PLANTA

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SAP2000 – CARGAS MUERTAS Y VIVAS

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SAP2000 – CARGAS DE VIENTO


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8.2 Datos de salida:

- Diagrama de Esfuerzos Axiales

- Reacciones en los Apoyos

- Diagrama de Esfuerzos de tensión en los cables de acero- Análisis del Diseño de la Estructura

- Tablas de Resultados


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SAP2000 –DIAGRAMA DE ESFUERZOS AXIALES


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SAP2000 –REACCIONES EN LOS APOYOS


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SAP2000– ESFUERZOS DE TENSION EN CABLES

DE ACERO


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SAP2000– DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

VISTA EN 3D


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SAP2000– DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

VISTA EN PLANTA


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SAP2000– TABLAS DE RESULTADOS

Tabla 01: Reacciones en los Apoyos de la Torre

Table 01: Joint Reactions

Joint OutputCase F1 F2 F3 M1 M2 M3

Kgf Kgf Kgf Kgf-m Kgf-m Kgf-m

1 DEAD 8.96 93.89 1262.71 0.00 0.00 0.00

2 DEAD -0.44 58.57 1263.38 0.00 0.00 0.00

3 DEAD -0.29 -1.40 789.82 0.00 0.00 0.00

4 DEAD 18.07 -0.97 817.52 0.00 0.00 0.00

Tabla 02: Tensiones en los cables de acero

Table 02: Element ForcesFrame Station OutputCase P V2 V3

m Kgf Kgf Kgf

267 8.86894 Tinicial 240.16 -3.818E-05 1.013E-04

268 8.86894 Tinicial 237.58 4.017E-05 -1.027E-04

269 12.39589 Tinicial 235.47 -5.080E-05 -1.001E-04

270 12.39589 Tinicial 235.95 5.131E-05 1.003E-04

271 8.76430 Tinicial 237.54 -2.999E-05 1.091E-04

292 8.76430 Tinicial 240.09 2.770E-05 -1.068E-04

313 12.32124 Tinicial 239.58 -4.911E-05 -1.051E-04

334 12.32124 Tinicial 239.06 4.856E-05 1.044E-04

CONCLUSION:

- Los esfuerzos de tensión producidos en los cables de acero de 8mm no superan su límitede rotura Fu = 3,830 Kg; por tanto son capaces de soportar las cargas actuantes en laestructura.

- En el diseño mostrado en la página 22, los elementos de la torre están trabajando entreel 0.00% y 0.70% de su capacidad máxima (zonas color celeste y verde); por tanto suselementos son capaces de soportar esfuerzos de comprensión y tracción por efectos delas cargas actuantes.

- El concreto f’c=210Kg/cm2, usado para el análisis absorbe fácilmente los esfuerzos decompresión generado por las cargas por peso propio y cargas externas a las que estásometida la estructura de acero.


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Junta

Altura [m ]

Pu [Kips ]

Pe rno

[in]

Es pes or de

la UV junta[m m ]

Longitud

tras lapada

UV junta

[m m]

Dim e nsión

apr oxim ada

UV junta

[m m ]

# Filas de

pe rnos Ag [m m 2] An [m m 2]

Res is te ncia

UV Junta Te

ns ión e n Flue

ncia [Ks i]

Validación a

Flue ncia e nTe ns ión

Res is te ncia UV

Junta Te ns ión

e n Ruptura

[Ks i]

Validación a

Ruptur a e nTe ns ión

Tipo de

m ate rial

Tramo:1-2 18 4,4 5/8 10 10 90X92X10 1 2720 2402,50 90,88 107,99 A 36Tramo:2-3 12 13,2 5/8 10 10 90X92X10 1 2720 2402,50 90,88 107,99 A 36Tramo:3-4 6 21,0 5/8 10 10 110X92X10 1 3120 2802,50 104,25 125,97 A 36

Tramo:4-Base 0 30,2 5/8 10 10 110X92X10 1 3120 2802,50 104,25 125,97 A 36

9 DIMIENSIONAMIENTO DE JUNTAS

Los pernos a utilizarse son A-325, la cantidad y dimensión depende de la fuerza axial que soporte

en cada junta; le método de diseño es el ASD. Los resultados de diseño se indican en las tablas 9,10, 11.

Tabla 9. Resul tados de dimensionamiento de jun tas

Junta Altura

[m ] Pu total [Kips]

Pu [Kips ] Φ Perno

[in] Área [in²]

# Pe rnos enla Junta φ

Rn [Kips ] V alidación a

Corte

Es fue rzo depre te ns ión

[Kips ]

N°Planos decorte en la

Junta φ Rn [Kips ]

Validación ade slizam iento

Tramo:1-2 18 4,356 0,36 5/8 0,31 12 7,36 √ 19 1 4,2 √ Tramo:2-3 12 13,205 1,10 5/8 0,31 12 7,36 19 1 4,2 Tramo:3-4 6 21,029 1,75 5/8 0,31 12 7,36 19 1 4,2

Tramo:4-Base 0 30,244 2,52 5/8 0,31 12 7,36 19 1 4,2

Tabla 10. Resul tados selección de espesor de placas jun ta

Φ

Tabla 11. Resul tados de verif icación a bloque de corte de las placas junta

Junta Altura

[m ] Pu [Kips ] Φ Pe rno

[in]

Es pe s or de

la UV junta

[m m ]

Dim e ns ión

aproxim ad

a UV junta[m m ]

Ag [m m 2] An

[m m 2]

Re lación e ntre los lim ite s de

re s is te ncia de UV Junta [Ksi]

Re s is te ncia UV

Junta a bloque

de corte [Ks i]

Validación a

Bloque de

Corte

Tramo:1-2 18 4,4 5/8 10 90X92X10 2720 2403 187,06 ≤ 307,06 →Ok 172,79 √ Tramo:2-3 12 13,2 5/8 10 90X92X10 2720 2403 187,06 ≤ 307,06 →Ok 172,79 √ Tramo:3-4 6 21,0 5/8 10 110X92X10 3120 2803 215,83 ≤ 356,41 →Ok 201,56

Tramo:4-Base 0 30,2 5/8 10 110X92X10 3120 2803 215,83 ≤ 356,41 →Ok 201,56

Los pernos deben llevar los siguientes elementos: 1.- Perno; 2.- Arandela plana; 3.- Arandela de presión; 4.- Tuerca; los cuales son mostrados en la figura 3. Los pernos deben ser ajustados con

el momento de apriete mostrado en la tabla 12. Frecuentemente se suele homologar los pernos A-

325 por pernos SAE grado 5; no se recomienda realizar esta homologación puesto que aunque las

propiedades de resistencia sean iguales, el comportamiento es diferente.

F igura 3. Conjunto de ajuste de pernos a uti li zarse

4 1

3

2


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Tabla 12.Momento de apriete para los pernos uti li zados en la torre de 24 m

Diámetro [in] MOMENTO DE APRIETE PARA PERNOS

lb - pie kg - m1/2" 100 13.855/8" 200 27.70

10 PLACA BASE

La carga axial Pa, en dirección del eje Z, la cual se obtiene del análisis en la combinación más

crítica, modelada en la torre de 18 m. Según la teoría indicada en el manual AISC, décimo tercera

Edición, indica las siguientes ecuaciones:

La configuración de la placa base se indica en las figura 4, las dimensiones N y B, son las

mismas (500 mm = 13.78 in), la sección transversal de la Torre (A2) y el área de la placa base (A1),

casi son similares por lo tanto se utilizara el caso en el que A1=A2. La base de hormigón tendrá

una resistencia f´c = 210 kg/cm² y dimensiones de 0.50x0.50x050. La carga Pa corresponde a

7,005.37 Kg.

F igura 4. Distr ibución de elementos en placa base


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11 PERNOS DE ANCLAJE

Los pernos de anclaje soportan cargas de corte y tracción, estos deben desarrollar una longitud

para impedir el arranque de los mismos, en la tabla 13 se muestra los resultados de diseño de

estos elementos, la fuerzas a las sometidos son: 1.- lado a compresión Pa = 33.957 kips, V = 4.35

kips; 2.- lado a tracción: Pa = 14.00 kips, V = 1.84 kips. El material para los pernos es acero

ASTM A-615, de diámetro 28 mm; la rosca superior de 150 mm UNC, para tuercas de pernos de

diámetro 1”.

Tabla 13.Pernos de anclaje

CALCULO DE PERNOS DE ANCLAJE Φ Pe rno

[in] Hilos /in # Pe rnos

As [in2]

Ag [in2]

σ t [Ks i]

Ft [Ks i]

Validación ζ c

[Ks i] Fv

[Ks i] Validación

De s arrollo [cm]

1 8 4 2,42 3,14 5,78 60 Ok 1,80 39 Ok 67,69

12 SOLDADURA

Los elementos soldados en esta estructura se clasifican en la tabla 14, dependiendo de su función

los someten a determinado tipo de soldadura, con las recomendaciones de la norma AWS D1.1.

Tabla 14.Tipo de soldadura en elementos

Ítem Elemento Tipo de soldadura 1 Base de anclaje Tope con penetración completa y cordón periférico2 Soporte de escaleras Tope con cordón periférico3 Escaleras Tope con cordón periférico4 Plataformas Tope con cordón periférico5 Parantes de barandas Tope con cordón periférico6 Soportes de línea de vida Tope con cordón periférico

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