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CAPÍTULO 7: ESTRUCTURA

E.T.S. INGENIEROS. UNIVERSIDAD DE SEVILLA

CAPÍTULO 7: ESTRUCTURA 117

7.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo vamos desarrollar la estructura soporte, anclajes y cimentación necesaria para soportar el silo.

Como hemos comentado en capítulos anteriores, la estructura se compones de cuatro pilares que van unidos rígidamente al anillo rigidizador del silo.

El desarrollo de la estructura le he realizado con el programa Cype y la estructura que final que he obtenido ha sido después de un largo proceso para optimizar el coste y la sencillez de la estructura utilizando el menor número de barras. Ha sido un poco complicado debido a la inexperiencia en diseño que tengo y la cargas altas debido a los momento que ejerce sobre todo el sismo en el silo ya que este es bastante esbelto y pesado.

7.2 ESTRUCTURA SOPORTE EN CYPE

El silo se apoya en la estructura en 8 puntos. Por eso he realizado un octógono en la parte superior (a 10m de cota) para que la tolva entre dentro de la estructura. Después he triangulado los puntos del octógono con los montantes que se sitúan a 5m de cota del nivel del suelo. Finalmente he apoyado la estructura en 4 pilares inclinados para que puedan soportar mejor las cargas laterales. Llegar hasta esta estructura me ha costado un tedioso trabajo de comprobación de barras, desplazamientos y deformadas. La estructura finalmente ha quedado de la siguiente forma:


118 CAPÍTULO 7: ESTRUCTURA

Ilustración 7. 1: Vista 3D

En siguiente paso, vamos a especificar las condiciones de contorno de la estructura.

Los pilares, en su parte inferior, van empotrados a la cimentación, esto quiere decir que tiene impedido los desplazamientos y giros. Para ellos utilizamos el comando vinculación exterior.

Para los demás nudos, usaremos vinculación interior porque no tienen ninguna coacción exterior. Seleccionamos todos los puntos y le damos a la opción de nudo rígido. Esto significa que el ángulo relativo que forman las barras entre sí antes de estar sometidas a ninguna solicitación se va a mantener tras cargar la estructura.

Ahora, lo que vamos a realizar es un pre dimensionamiento de la estructura. Lo primero, vamos a agrupar las barras en 4 grupos:

1. Los pilares 2. Montantes a 5m de altura 3. Montantes a 10m de altura 4. Diagonales

Para cada grupo vamos a describir un perfil laminado de unas dimensiones que introduciremos nosotros mismos teniendo en cuenta la posición de las barras.



1. Pilares: HEB 220 2. Montantes a 5m: IPE 80 3. Montantes a 10m: UPN 100 4. Diagonales: HEB 100

Todas las barras están definidas como acero S275

Siguiente paso; tenemos que introducir los parámetros de pandeo y flecha límite de las barras.

El pandeo es un fenómeno que condiciona a las piezas sometidas a compresión que limita su capacidad portante debido a la deformación de la barra que pierde su forma de máxima resistencia. Como no sabemos a priori qué piezas van a trabajar a compresión y bajo que combinaciones de hipótesis, tenemos que asignar que coeficientes de pando a todas las piezas y en sus dos planos principales.

Para este apartado vamos a seguir el código técnico y lo primero es definir que estamos ante un estructura traslacional. Es muy importante para tomar los coeficientes de pandeo.

Además tenemos que aplicar un coeficiente de momento para cada plano de barra. Pero dejaremos lo valores que vienen por defecto que es igual a 1 ya que estos valores siempre son 1 o cercanos a 1 y estamos del lado de la seguridad.

1. Pilares: plano xz β=0,7; pano xy β=0,7. 2. Montantes a 5m: β=1 para los dos planos 3. Montantes a 10m: β=1 para los dos planos 4. Diagonales: β=1 para los dos planos

El pandeo lateral introduciremos lo valores de βl=1 para todas las barras.

Lo siguiente, es introducir la flecha máxima. La flecha es la deformación de las barras debida a las cargas a las que está sometida. Siguiendo las limitaciones del código técnico tenemos:

1) 1/500 en pisos con tabiques frágiles o pavimentos rígidos sin juntas 2) 1/400 en pavimentos con tabiques ordinarios o pavimentos rígidos

con juntas 3) 1/300 el resto

Todas nuestras barras pueden acogerse al caso 3, el menos exigente.

Limitares la flecha máxima relativa, que quieres decir la máxima deformación de la barra respecto a su posición no deformada y que depende de la luz.



Lo que nos queda por introducir son las cargas que vamos a tener en la estructura. Vamos a introducir las acciones simples y el programa se encarga de realizar todas las hipótesis compuestas multiplicando las distintas cargas por sus respectivos coeficientes y coeficientes de simultaneidad.

Las acciones simples que tenemos son:

• Cargas permanentes: o Peso propio de la estructura. Esta condición viene introducida por el

mismo programa. o Peso de la estructura del silo: 192,87 KN. Introducimos esta carga

repartida en los 8 puntos del octógono como una carga puntual en cada nudo. El peso del silo vacío es de 192,87KN. En cada nudo se aplica 24,1KN en dirección negativa de z.

• Cargas variables: o Peso del cemento cuando el silo está lleno: Lo introducimos como

una fuerza puntual aplicada en los ocho puntos. El peso total es de 5529,2KN y en cada punto introducimos 691,15KN.

o Sobrecarga de uso. El código técnico nos da los valores de estas cargas en función del tipo de edificio, utilización, ubicación etc. Nosotros vamos a introducir 5KN/m2 en el techo del silo. Este valor es el máximo que nos da el código y lo introducimos incorporando en este valor la sobrecarga de nieve, ya que para Sevilla es un valor bastante pequeño. Así, a la estructura le introduciremos un valor de: 𝑆𝐶𝑢𝑠𝑜 = 5 𝐾𝑁 𝑚! ∗ 𝜋𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜!"#$! = 98,2 𝐾𝑁 Aplicamos a cada nudo del octógono una fuerza de 12,3KN en dirección negativa de z.

• Viento: lo vamos a introducir como 2 hipótesis distintas y sin que puedan combinarse. Una sería la hipótesis de la dirección del viento en una de las caras y la segunda como si el viento diera en una de las caras perpendiculares a la anterior. El valor del viento viene dado por 0,88 KN/m2, así que la fuerza será el resultado de multiplicar esta carga por el área de interacción del cilindro y la tolva, resultando la resultante 88KN. El



momento que ejerce el viento lo hemos calculado en las tablas de cálculo de la hipótesis del viento y silo vacío y tiene un valor de 440KNm.

o Fuerza producida por el viento: Introducimos una carga horizontal en cada punto del octógono de valor F: 11KN una hipótesis en sentido x y otra en y.

o Momento: El momento vamos a introducirlo como fuerzas puntuales en los nudos del octógono, aplicando la siguiente ecuación:

𝑄! =𝑀!

𝐼! ∗ 𝑥! 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 ∶ 𝐼! = 𝑦!! y viceversa cuando aplicamos

en el eje ortogonal.

Así tendremos que aplicar al lado de barlovento tracciones y compresiones a sotavento. Las carga tienen unos valores de: 44KN en los nudos más alejados y 31,15 KN en los más cercanos siendo 0 en los que se sitúan en el eje de aplicación del momento.

• Sismo: el sismo lo tratamos igual que el viento, aplicando una carga horizontal y un momento en dos hipótesis según plano que aplicamos. El sismo ejerce una fuerza puntual en la base de 1590KN y un momento de 9954,65 KNm (que hemos calculado en la hipótesis de sismo en el silo)

o Fuerza horizontal: Aplicamos una fuerza de 198,75 KN en cada nudo del octógono en dirección x y dirección y según hipótesis 1 o 2 de viento.

o Momento: como el viento, aplicamos tracción o compresión de valores: 995,45 KN en el nudo más alejado, y 705 KN en los más próximos. 0 KN en los que se sitúan en el eje de giro.

Una vez aplicadas las cargas, podemos calcular. Tenemos que comprobar que las barras cumplen y si no cumplen ir modificándolas y recalculando hasta que todo sea correcto.

Además una vez que encuentro la solución he comprobado los desplazamientos y deformadas, siendo el desplazamiento mayor de 21-‐22mm con lo que cumple bastante bien.

Los informa de las barras son los siguientes:



Pilares inferiores:

Tabla 7. 1: Informe pilares

Pilares superiores



Montantes:

Tabla 7. 2: Informe pilares superiores

Tabla 7. 3 Informe montantes



Diagonales:

Tabla 7. 3 Informe diagonales



Montantes del octógono:

Tabla 7. 5 Informe montantes del octógono

7.3 PLACAS DE ANCLAJE

Las placas de anclaje son muy fáciles de calcular con cype, pues solo tenemos que dar a dimensionar placas de anclaje y comprobar en los pilares de la estructura.

Si todo es correcto obtenemos el informe de las comprobaciones y la solución de las placas:



Referencia: N18 -Placa base: Ancho X: 850 mm Ancho Y: 1200 mm Espesor: 45 mm -Pernos: 8Ø50 mm L=125 cm Gancho a 180 grados -Disposición: Posición X: Centrada Posición Y: Centrada -Rigidizadores: Paralelos X: - Paralelos Y: 2(350x80x18.0)

Comprobación Valores Estado

Separación mínima entre pernos:

3 diámetros

Mínimo: 150 mm

Calculado: 230 mm

Cumple

Separación mínima pernos-borde:

1.5 diámetros

Mínimo: 75 mm

Calculado: 80 mm

Cumple

Esbeltez de rigidizadores:

- Paralelos a Y:

Máximo: 50

Calculado: 42.8

Cumple

Longitud mínima del perno:

Se calcula la longitud de anclaje necesaria por adherencia.

Mínimo: 50 cm

Calculado: 125 cm

Cumple

Anclaje perno en hormigón:

- Tracción:

Máximo: 694.5 kN

Calculado: 427.51 kN

Cumple

- Cortante:

Máximo: 486.15 kN

Calculado: 71.26 kN

Cumple

- Tracción + Cortante:

Máximo: 694.5 kN


Cumple

Tracción en vástago de pernos:

Máximo: 627.2 kN


Cumple

Tensión de Von Mises en vástago de pernos:

Máximo: 400 MPa

Calculado: 227.939 MPa

Cumple

Aplastamiento perno en placa:

Límite del cortante en un perno actuando contra la placa

Máximo: 1237.5 kN

Calculado: 71.26 kN

Cumple

Tensión de Von Mises en secciones globales:

Máximo: 275 MPa



Referencia: N18 -Placa base: Ancho X: 850 mm Ancho Y: 1200 mm Espesor: 45 mm -Pernos: 8Ø50 mm L=125 cm Gancho a 180 grados -Disposición: Posición X: Centrada Posición Y: Centrada -Rigidizadores: Paralelos X: - Paralelos Y: 2(350x80x18.0)

Comprobación Valores Estado

- Derecha:


Cumple

- Izquierda:


Cumple

- Arriba:


Cumple

- Abajo:


Cumple

Flecha global equivalente:

Limitación de la deformabilidad de los vuelos

Mínimo: 250

- Derecha:

Calculado: 330.954

Cumple

- Izquierda:

Calculado: 330.954

Cumple

- Arriba:

Calculado: 5082.51

Cumple

- Abajo:

Calculado: 19527.9

Cumple

Tensión de Von Mises local:

Tensión por tracción de pernos sobre placas en voladizo

Máximo: 275 MPa


Cumple

Se cumplen todas las comprobaciones

Información adicional:

- Relación rotura pésima sección de hormigón: 0.111

- Punto de tensión local máxima: (0.15, 0.6)

Tabla 7. 6 Placas de anclaje, dimensión y comprobación



El despiece queda:

Ilustración 7. 2 Despiece de las placas de Anclaje

El anclaje es empotrado así que irá acartelado de la siguiente manera:

Ilustración 7. 3 Vista 3D del empotramiento



7.4 CIMENTACIÓN

Para la cimentación también hemos usado Cype. He introducido como parámentro generales, que vamos a usar un hormigón HA25 y un acero corrugado de barras de B500s. El más usual es B400s pero tenemos unas cargas muy elevadas y por ese motivo utilizado una resistencia mayor.

Hemos supuesto como hipótesis que nos encontramos en Sevilla, y el suelo es arcilla arenosa con una tensión de 0,196 MPa para acciones persistentes y 0,24 MPa acciones sísmicas.

Además, debido a que es una estructura no muy ancha y con un momento a soportar bastante alto, imponemos una zapata aislada en toda la superficie.

Realizamos todas las comprobaciones e iteraciones y obtenemos el siguiente resultado:

Ilustración 7. 4 Cimentación

Dimensiones: 1225x1225x135 cm

Armado:

Superior; X: 76φ16 c/16 Y: 76φ16 c/16

Inferior; X: 76φ16 c/16 Y: 76φ16 c/16



Así, la estructura completa con la cimentación quedaría de la siguiente manera.

Ilustración 7. 5 Vista 3D Estructura + cimentación

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