memoria de calculo mediante mef base bomba.pdf
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INDICE
1. Introducción............................................................................................... 3
2. Objetivos.................................................................................................... 3
3. Metodología de trabajo.............................................................................. 4
Criterio de von mises
Criterio de Tresca
Tipo de elemento finito utilizado para la modelación
Tipo de malla resultante
Condiciones reales
4. Datos de entrega........................................................................................5
5. Antecedentes............................................................................................. 6
Vista de modelo analizado mediante MEF
Materiales utilizados en la modelación.
Normas
Condiciones de carga
Análisis de condiciones de carga (Casos)
6. Resultados.............................................................................................. 8
Desplazamientos y Esfuerzos Máximos
Identificación de los esfuerzos en nodos
Resumen de los resultados
Análisis de contacto
7. Conclusiones y Recomendaciones............................................................ 9
8. Anexos…………………………………………………………………… 10
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1.- INTRODUCCIÓN.
El presente informe da a conocer el estudio de la estructura para traslado de bomba cuyo análisis se basa en verificar el comportamiento estructural bajo las condiciones de carga a las que ésta se encuentra sometida.
El MEF se ha vuelto una solución para la tarea de predecir los fallos debidos a tensiones desconocidas enseñando los problemas de la distribución de tensiones en el material y permitiendo a los diseñadores ver todas las tensiones involucradas.
Este método de diseño y prueba del producto es mejor al ensayo y error en donde hay que mantener costos de manufactura asociados a la construcción de cada ejemplar para las pruebas.
Las grandes ventajas del cálculo por ordenador se pueden resumir en:
Hace posible el cálculo de estructuras que, bien por el gran número de operaciones que su resolución presenta (formas geométricas complejas) o por lo tedioso de las mismas las cuales eran, en la práctica, inabordables mediante el cálculo manual.
En la mayoría de los casos reduce a límites despreciables el riesgo de errores operativos. El resultado de estos ensayos se utilizará para resolver si el anillo de levante en estudio, es capaz o se encuentra dentro de un rango de comportamiento estructural admisible, cuyas condiciones de carga y conclusiones se especifican en detalle en éste informe. Para éste análisis se utilizó el método de los Elementos Finitos, mediante el cual se obtuvo el campo de esfuerzos para todos los sectores de la estructura.
2.- OBJETIVOS.
El presente informe tiene como objetivo determinar las concentraciones de tensiones, deformaciones, factor de seguridad (FDS) y desplazamientos producidos por las cargas a las que se encuentra sometida estructura para traslado de bomba, de esta forma se realizar un diagnóstico y entregar una conclusión acorde con los resultados obtenidos.
Con los resultados obtenidos se determinará si la estructura para traslado de bomba
es capaz de soportar las cargas aplicadas, si no es así se realizarán las recomendaciones necesarias para que dicho anillo pueda tener un comportamiento estructural dentro de los intervalos permitidos.
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3.- Metodología de trabajo.
El estudio de la estructura para traslado de bomba, se realizó utilizando el método de elementos finitos. Método el cuál comprende la resolución numérica de problemas de ingeniería, entregando resultados de gran exactitud.
El software utilizado para la realización de estos cálculos, fue Solidworks Simulation 2012 e Inventor Simulation 2012. Obteniendo de él resultados de deformación (desplazamiento), esfuerzos de deformación y factores de seguridad.
Es necesario resaltar que los ensayos realizados fueron hechos utilizando la Teoría de la máxima energía de distorsión (Esfuerzos de Von Mises), así como también el teorema del máximo esfuerzo cortante (Teorema de Tresca)
3-1 CRITERIO DE VON MISES La teoría de falla de Von Mises supone que ésta se produce cuando el esfuerzo efectivo de
Von Mises, ’ iguala a la resistencia a la fluencia determinada en una prueba de tracción
estándar 0, es decir, para el caso de tensiones en tres dimensiones:
0
2222226
2
1' yzxzxyzyzxyx
o bien, en función de los esfuerzos principales:
0
2
32
2
31
2
212
1'
Para el caso de esfuerzo plano, con 3 = 0:
021
2
2
2
1
222 3' xyyxyx
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3.2 CRITERIO DE TRESCA
Establece que la falla se produce cuando el esfuerzo de corte máximo en un componente iguala la resistencia al corte en el punto de fluencia determinado en un ensayo de tracción. En el caso de metales dúctiles, esta resistencia a la fluencia en corte resulta ser igual a la mitad de la resistencia a la fluencia en tracción, es decir:
002
1
Por consiguiente, ocurrirá falla cuando el esfuerzo de corte máximo aplicado sea igual a la resistencia a la fluencia en corte del material, es decir:
00max2
1
Pero, como se determinó en el capítulo 1, el esfuerzo de corte máximo queda establecido a partir de los esfuerzos principales de la forma siguiente:
2
,2
,2
323121
max
Máx
3.3- TIPO DE ELEMENTO FINITO UTILIZADO PARA LA MODELACION.
El tipo de elemento utilizado para la modelación fue el tipo sólido brick. Los elementos
sólidos flexibles 3-D se utilizan para simular el comportamiento de sólidos.
Estos elementos también están disponibles con formulaciones de alto orden (nodos
intermedios). Tal formulación es apropiada cuando el sólido experimenta flexión. La ventaja
de utilizar este modelo es que es la representación más exacta a la realidad ya que considera
todas las piezas del modelo, los tipos utilizados se muestran en la figura 5.
Tipo de Elemento Finito utilizado para la modelación
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3.4- TIPO DE MALLA RESULTANTE
3.5- CONDICIONES REALES
De acuerdo a la información entregada las condiciones de cargas para el análisis de MEF están descritas en la siguiente tabla.
Tipo de malla: Malla sólida
Mallador utilizado: Malla estándar
Transición automática: Desactivar
Superficie suave: Activar
Verificación jacobiana: 4 Points
Tamaño de elementos: 333.929 mm
Tolerancia: 1.305 mm
Calidad: Alta
Número de elementos: 564296
Número de nodos: 467334
KG
Valor Máximo de izaje para base 6000
Fuerza aplicada en el análisis para base 6000
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4.- DATOS DE ENTREGA.
4.1- CONDICIÓN ACTUAL
La estructura para la bomba (figura N°1) debe trabajar como base de traslado del
equipo permitiendo izar el equipo con gruas orquillas o con gruas aereas. Modelado Dimétrico Vigas tipo cajón
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5.- ANTECEDENTES
5.1- VISTAS DIMETRICAS
VISTA SUPERIOR
VISTA FRONTAL
VISTA LATERAL
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5.2- MATERIAL UTILIZADOS EN LA MODELACION
Listado de material
NORMAS Sin perjuicio de lo establecido en la presente especificación, que tendrá carácter de prioritario en la
fabricación y el montaje de las estructuras, deberán cumplirse las siguientes normas, en su última
edición, las cuales forman parte integrante de esta Especificación:
Nombre Acero
General
Densidad de masa 7,85 g/cm^3
Límite de elasticidad 207 MPa
Resistencia máxima a tracción 345 MPa
Tensión
Módulo de Young 210 GPa
Coeficiente de Poisson 0,3 su
Módulo cortante 80,7692 GPa
Tensión térmica
Coeficiente de expansión 0,000012 su/c
Conductividad térmica 56 W/( m K )
Calor específico 460 J/( kg c )
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Normas del Instituto Nacional de Normalización
NCh 203 Acero para uso estructural. Requisitos.
NCh 206 Acero laminado en barras para pernos corrientes.
NCh 208 Acero laminado en barras para tuercas corrientes.
NCh 209 Acero-Planchas gruesas para usos generales y de construcción mecánica.
Especificaciones.
NCh 217 Acero-Planchas delgadas para usos estructurales
NCh 304 Electrodos para soldar al arco manual. Terminología y clasificación.
NCh 305 Electrodos para soldar al arco manual aceros al carbono y aceros de baja aleación.
Códigos de designación e identificación.
NCh 306 Electrodos revestidos para soldar al arco aceros al carbono y aceros de baja aleación:
Prescripciones.
NCh 308 Examen de soldadores que trabajan con arco eléctrico.
NCh 428 Ejecución de construcciones de acero.
NCh 776 Electrodos desnudos para soldar al arco sumergido.
American Institute of Steel Construction – AISC
Specification for Structural Steel Buildings.
Manual of Steel Construction
Specifications for structural joints using ASTM A490 or A490 bolts.
Code of Standard practice for steel buildings and bridges.
American Weldings Society – AWS
AWS D1.1 Structural Welding Code
AWS A5.1 Specification for Covered Carbon Steel Arc Welding Electrodes.
AWS A5.5 Specification for Low Alloy Steel Covered Arc Welding Electrodes.
AWS A.517 Specification for Carbon Steel Electrodes and Fluxes for Submerged Arc Welding
En caso que se produzca discrepancias entre normas nacionales y extranjeras, prevalecerán las
más estrictas.
Soldaduras
Los electrodos empleados para soldaduras l arco manual, serán de la serie E71XX de acuerdo con la
Norma AWS A5.1. Los electrodos serán para corriente continua y posición adecuada, tal que se
minimicen los requerimientos de alivio de tensiones. No se aceptará electrodos con polvo de hierro en
el revestimiento.
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MATERIALES
Se deberá cumplir las disposiciones mínimas que se indican a continuación.
Cualquier variación a estas exigencias deberá ser aprobada previamente por Especificación Técnica
para Estructuras Metálicas.
Todo el material será nuevo, de primer uso, y conforme a los requisitos que Establecen las normas. La
maestranza deberá verificar que se certifique la calidad y composición de todos los materiales
conforme a las normas indicadas. El acero de procedencia extranjera deberá ser certificado por un
laboratorio que indicará el Contratista en sus controles y procedimientos de calidad.
El certificado Correspondiente deberá indicar como mínimo las características de soldabilidad, su límite
de fluencia, resistencia a tracción y curva de alargamiento para distintas cargas de prueba con el objeto
de comprobar que tiene la ductubilidad requerida.
La calidad de los materiales que se utilizarán serán las siguientes:
ACERO ESTRUCTURAL
Los perfiles de acero estructural serán laminados, soldados o plegados.
Se usará un acero de ductilidad probada de acuerdo a las normas y códigos mencionados.
Las calidades de acero estructural serán las siguientes:
Normas NCh 203, calidades A37-24ES, A42-27ES, A52-34ES.
Normas ASTM A36, ASTM A572.
TOLERANCIAS
Las tolerancias de fabricación de perfiles serán las contenidas en las Normas NCh 428 y NCh 730 con
las exigencias adicionales indicadas a continuación.
Las tolerancias de fabricación en taller en cualquier dimensión, no podrán exceder de aquellas que
perjudiquen el correcto montaje y la perfecta conservación y validez de la geometría teórica que ha sido
calculada con 1 mm de precisión.
Salvo los casos anteriores, se considera aceptable una tolerancia de + - 0,1% respecto de las teóricas.
Para piezas de largo menor de 1 metro, la tolerancia aceptable será de + - 1 mm.
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CONEXIONES SOLDADAS
Salvo indicación contraria en los planos o en esta especificación, todas las soldaduras serán realizadas
por procedimientos automáticos.
La ejecución de las conexiones soldadas se hará con soldadores calificados, de acuerdo al punto 5.3
de esta especificación.
Las operaciones de soldadura del acero estructural deberán cumplir con el código AWS D1.1 y con la
“Specification for Structural Steel Buildings” del AISC.
Salvo indicación contraria en los planos, las dimensiones mínimas de los filetes de soldadura serán de
3 mm. El cateto de soldadura será como máximo un 25% superior al espesor de la plancha o perfil más
delgado, a soldar.
En caso de uniones mediante soldaduras de tope la penetración será completa.
Las soldaduras de refuerzos de estructuras existentes deberán ser inspeccionadas en un 100%
mediante métodos no destructivos, para garantizar penetración completa, y la no existencia de fisuras o
poros, y de grietas superficiales.
El procedimiento de inspección y la institución que lo realice, deberán contar con aprobación previa de
la ITO.
CORRECCIONES A LA ESTRUCTURA
Los errores de fabricación y las deformaciones producidas por la manipulación o el transporte que
dificulten el montaje o el adecuado ajuste de las partes, deberán ser inmediatamente informados a la
ITO. Esta aprobará la técnica de rectificación, reparación o reemplazo, indicando quién debe realizarla.
Este podrá ser la Maestranza o el Contratista de montaje.
SECUENCIA DE ARMADO
Después de presentadas en su sitio las diferentes piezas que forman parte de una estructura, deberán
ser alineadas y ajustadas antes de ser conectadas definitivamente.
Las superficies de apoyo y aquellas que estarán en contacto permanente deberán estar limpias de
óxido, polvo, grasa y otros elementos extraños antes de proceder al montaje.
A medida que progrese el montaje, deberán irse asegurando definitivamente las conexiones de manera
que puedan absorber las cargas de peso propio y esfuerzos de montaje. Con este objeto, deberán
proveerse contraventaciones temporales cuando sea necesario, las que deberán permanecer
colocadas por el tiempo que las condiciones de seguridad así lo exijan.
La estabilidad de las estructuras durante el montaje es de responsabilidad del Contratista.
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Podrán usarse pasadores de montaje para acercar las partes de una conexión, sólo que no deformen o
dañen el metal.
SOLDADURAS EN TERRENO
La maestranza deberá proporcionar a la ITO, una descripción de los procedimientos generales de
soldadura que utilizará. Dichos procedimientos, para ser aprobados, deberán ser compatibles con las
normas señaladas en el punto respectivo y deberán cumplir las siguientes condiciones mínimas:
Los soldadores que ejecutarán el trabajo deberán ser calificados por algún organismo
competente y tener su calificación al día.
Las superficies que se van a soldar deberán estar limpias, libres de laminilla, grasa, aceite,
humedad y otros contaminantes perjudiciales por una soldadura sana.
Toda salpicadura de soldadura deberá sacarse después de completar el trabajo
Las reparaciones por medio de cincelado o esmerilado se llevarán a cabo sin ranurar o producir
disminución del metal base.
En todas las soldaduras se tendrá especial cuidado con el control de la temperatura, tanto
ambiental como la del metal base de las planchas o elementos a unir.
Las instalaciones eléctricas necesarias para dejar operativas las máquinas de soldar, deberán
realizarse respetando todas las normas de seguridad vigentes del cliente.
ETAPA DE FABRICACIÓN
Organismo de certificación
Calidad de soldadores
Calificación de soldadores
Procedimientos de fabricación
Armado y dimensiones de las piezas antes de soldar
Calidad de las soldaduras
Elementos terminados
Embarque sobre medio de transporte
Nomina del personal que intervendrá en la fabricación, armado e inspección con sus
respectivos cargos y calificación
ETAPA DE MONTAJE
Calidad de los materiales que sean de aporte del Contratista de montaje
Estado de equipos y herramientas
Calificación de soladores
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Replanteo de ejes, cotas y elevaciones básicas del proyecto
Secuencia de montaje
Conexiones soldadas
Reparación de Pintura
Nomina del personal que intervendrá en labores propias del montaje, armado e inspección con
sus respectivos cargos y calificación.
RECEPCION DE LOS TRABAJOS
La recepción por parte de la ITO, no exime a la Maestranza o al Contratista de la obligación de ejecutar
el trabajo de acuerdo a las normas, planos y especificaciones del Proyecto.
Todos los elementos que hayan sido rechazados por la ITO deberán ser reemplazados o reparados de
inmediato por la Maestranza o el Contratista sin costo adicional para el Propietario. Los métodos de
reparación deberán ser aprobados por la ITO.
Al inicio de las obras el contratista deberá realizar una verificación de las dimensiones en terreno de los
elementos a ser reforzados, debido ajustar dichos refuerzos a las dimensiones reales medidas.
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5. ANALISIS DE CONDICIONES DE CARGA 5.1- CONDICIONES DE CARGA
Restricción ambos extremos Fuerzas N°1-2-3-4-5
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RESULTADOS OBTENIDOS.
Fuerza y pares de reacción en restricciones
Nombre de la restricción Fuerza de reacción Pares de reacción
Magnitud Componente (X,Y,Z) Magnitud Componente (X,Y,Z)
Restricción fija:1 13329,7 N
0 N
4489,23 N m
1697,16 N m
-3120,9 N 486,121 N m
12959,2 N 4127,53 N m
Restricción fija:2 13298,7 N
0 N
4494,99 N m
-1656,78 N m
3133,59 N 557,298 N m
12924,2 N -4141,19 N m
Nombre Mínimo Máximo
Volumen 369872000 mm^3
Masa 2903,5 kg
Tensión de Von Mises 0,000582401 MPa 61,0427 MPa
Primera tensión principal -14,8375 MPa 74,9442 MPa
Tercera tensión principal -78,5266 MPa 42,406 MPa
Desplazamiento 0 mm 1,0144 mm
Coeficiente de seguridad 3,39107 su 15 su
Tensión XX -40,0444 MPa 52,0507 MPa
Tensión XY -23,7351 MPa 27,7132 MPa
Tensión XZ -16,7605 MPa 19,795 MPa
Tensión YY -73,0911 MPa 70,4162 MPa
Tensión YZ -14,307 MPa 17,06 MPa
Tensión ZZ -32,198 MPa 66,0288 MPa
Desplazamiento X -0,187566 mm 0,179486 mm
Desplazamiento Y -0,352532 mm 0,364437 mm
Desplazamiento Z -1014,4 mm 0,0908258 mm
Deformación equivalente 0,0000000024505 su 0,000271912 su
Primera deformación principal -0,00000851865 su 0,000302637 su
Tercera deformación principal -0,000323314 su 0,0000293074 su
Deformación XX -0,000146207 su 0,000163254 su
Deformación XY -0,000146931 su 0,000171558 su
Deformación XZ -0,000103755 su 0,000122541 su
Deformación YY -0,000294748 su 0,000278369 su
Deformación YZ -0,0000885669 su 0,000105609 su
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Deformación ZZ -0,000195834 su 0,000196958 su
Presión de contacto 0 MPa 217,108 MPa
Presión de contacto X -66,449 MPa 65,3535 MPa
Presión de contacto Y -79,3283 MPa 101,04 MPa
Presión de contacto Z -149,473 MPa 211,985 MPa
Resumen de resultados Tensión máxima 64.4 MPa
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Primera Tensión principal 74.94 MPa
Tercera Tensión principal 42.41 MPa
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Desplazamientos 1.0 mm. Deformación equivalente 1.633e-004 max.
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Coeficiente de seguridad 3.39 ul RESUMEN DE LOS RESULTADOS.
Tabla 1. Resumen de los resultados de esfuerzos y desplazamientos.
CASO DESCRIPCION ESFUERZO
MAXIMO [MPa]
DESPLAZAMIENTO MAXIMO [mm]
FACTOR DE SEGURIDAD
CUMPLE
1 Estudio del comportamiento base de traslado bomba
61 1.01 3.39 SI
7.- CONCLUSIONES
Para la base de traslado de bomba se aplicó una carga de 6000 Kg, distribuidos uniformemente sobre los apoyos de la base de traslado, tomando como restricción los extremos donde están las orejas de izaje. El estudio permite comprobar que la estructura si alcanza una buena distribución de esfuerzos, factor de seguridad de 3.39.
En relación a los desplazamientos, el valor máximo alcanza 1.01 mm, valor dentro de los rangos aceptables. se concluye que para las condiciones de izaje de las vigas es aceptable para dicha condición de carga.