parcial practico ansys
TRANSCRIPT
ELABORACIÓN DE MEZZANINE PARA SECTOR METALMECÁNICO
Marlon Yesid Pérez Alfonso1, Sebastián Rosas Barahona2 Departamento de ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia
Bogotá, Colombia
1 Cód.: 274059, [email protected] 2 Cód.: 273449, [email protected]
RESUMEN
En este documento se busca establecer la
construcción de un mezzanine para una
empresa del sector metalmecánico donde se
establecen parámetros y requerimientos
establecidos que deben cumplir las
condiciones de la compañía, teniendo en
cuenta factores de seguridad y planteando
una solución óptima basada en
conocimientos aplicados de elementos
finitos con ayuda del software ANSYS
ABSTRACT
This document seeks to establish the
construction of a mezzanine for a company
in the metalworking industry where
established parameters and requirements
that must fulfill the conditions of the
company are set, taking into account safety
factors and proposing an optimal solution
based on applied knowledge of elements
finite using ANSYS software
OBJETIVO
Establecer el mejor modelo de
simulación que se adapte a las
condiciones establecidas resultando
viable y que brinde la mejor solución
al problema planteado.
INTRODUCCION
En la ingeniería en muchas ocasiones resulta
necesario el diseño y análisis de estructuras
que permitan dar soluciones a problemas
que se pueden presentar en la práctica, para
esto resulta necesario la implementación y
uso de diferentes herramientas
computacionales de diseño y análisis
estructural como Ansys, que por medio de
elementos finitos proporcionan
comportamientos y efectos que ocurren en
las estructuras, posibilitando una mejor toma
de decisiones al momento de ejecutarse.
Para lo cual Ansys cuenta con una serie de
elementos establecidos como Link, Frame,
Beam, Plane, Shell, que facilitaran el
planteamiento computacional para su
análisis y desarrollo.
PLANTEAMIENTO DISEÑO Y RESULTADOS
Se realizó un mezzanine basado en los
parámetros a cumplir los cuales fueron
dados por la empresa solicitante:
Datos del mezzanine:
Ancho: 6 m Largo: 4 m Altura: 3 m Piso del mezzanine: Alfajor de ¼ pulgada
De acuerdo a la norma NSR 10, la estructura debe ser capaz de soportar 500kg/m2, y la consideración de una carga lateral ficticia igual al 0.2% del peso de la estructura Todos los esfuerzos deben tener un factor de Seguridad de 1.1. La máxima deflexión permisible para cada viga es de L/180 o 20mm Las columnas pueden empotrarse en el piso, suponiendo el uso de pernos de anclaje. Todos los miembros son de acero estructural, E = 200GPa, Sy = 240MPa, v = 0;3; El área bajo el mezzanine debe quedar totalmente libre, por lo que las columnas de soporte deberán ir ubicadas en la periferia, no se permitirá anclajes a la pared ni al techo, y se ignorara en esta ocasión escaleras y barandas en su diseño. Para el modelamiento de la estructura en Ansys se seguirá el siguiente algoritmo: Preferences>>>Structural Se determinó los elementos con el cual trabajará en el diseño de la estructura Preprocessor >>> ElementType >>> Add/Edit/Delete >>> Beam >>> 2 node 188 Preprocessor >>> ElementType >>> Add/Edit/Delete >>> Shell>>> 181quadnode4 Se escoge el material que vamos a usar en la estructura: Para el caso del alfajor, este será de aluminio: Material Props >>> Material Library >>> Import Library >>> ALU6061 Para las vigas se seleccionara como acero estructural de constantes ya establecidas:
Material Props >>>Material models >>> Structural >>> Linear >>> Elastic >>> Isotropic >>> E: 200e9 PRYX: 0.3 Para el elemento Tipo Shell, se determinara el espesor Sections >>> Shell >>> Lay up >>> Add/Edit Para el elemento Tipo Beam, se selecciona el perfil a usar Sections >>> Beam >>> Common Sections Se crean los puntos y líneas de base de la estructura: Preprocessor >>> Modeling >>> Create >>> Keypoints >>> In Active CS Preprocessor >>> Modeling >>> Create >>> Lines >>> Lines >>> Straight Line Se crean por área la lámina de alfajor Preprocessor >>> Modeling >>> Create >>> Areas >>>Arbitrary>>>By Skinning Se procedemos con el enmallado, seleccionando materiales y elementos para cada caso, hay que tener en cuenta la orientación de las vigas horizontales para que el perfil concuerde con los planos establecidos, para esto se agregaran Keypoints de orientación en cada una. Preprocessor >>> Meshing >>> Mesh Tool Para cuestiones de análisis más detallado se seleccionaron divisiones para las vigas verticales 10 divisiones y para las horizontales de 20 divisiones Se colocan restricciones a la las vigas verticales en su base en todas las direcciones (empotramiento) y cargas tanto de presión sobre Area (5000N/m^2).
La carga inercial se colocara sobre el borde
de 6 m o en dirección Z según el sistema de
referencia, bajo la suposición de la
estructura fallara en esta dirección, que
aunque según la norma NSR-10 en A.3.6.3 se
especifica claramente que estas fuerzas que
simulan la actividad sísmica de la zona,
tienen componentes en ambas direcciones
horizontales:
A.3.6.3 — DIRECCIÓN DE APLICACIÓN DE LAS
FUERZAS SÍSMICAS — En zonas de amenaza
sísmica intermedia o alta deben considerarse los
efectos ortogonales, salvo que (1) la estructura
tenga diafragmas flexibles o (2) se trate de
edificios de un piso (naves industriales o similares)
en los cuales no haya irregularidades en planta
del tipo 5P. Los efectos ortogonales pueden
tenerse en cuenta suponiendo la concurrencia
simultánea del 100% de las fuerzas sísmicas en
una dirección y el 30% de las fuerzas sísmicas en
la dirección perpendicular. Debe utilizarse la
combinación que requiera la mayor resistencia
del elemento.
Preprocessor >>> Loads >>> Define Loads >>> Apply >>> Structural >>> Displacement >>> On Keypoints
Preprocessor >>> Loads>>> Define Loads >>> Apply >>> Structural >>> Pressure>>>On Areas Preprocessor >>> Loads>>> Define Loads >>> Apply >>> Structural >>> Pressure>>>On Lines Después de colocar las cargas se ejecuta el programa, y se determina tanto los deformaciones de los elementos como sus diagramas de fuerzas cortantes como momentos flectores. Cabe decir que en este caso el factor de seguridad se tendrá en cuenta en las deformaciones de los elementos.
CASO INICIAL DISEÑO I – Simulación 1
Para el diseño I, los elementos de la
estructura se encuentran distribuidos de la
siguiente manera:
Figura 1
Como suposición inicial se seleccionó el
siguiente perfil para las vigas
Figura 2
Figura3
De acuerdo a la información del perfil se
establece el peso de la estructura:
Material
Viga 29.8((3*6)+(4*2)+(6*2))= 1132.4 kg
Lamina de alfajor de 1/4 in
2700Kg/m^3*(6m*4m*(0.00635m)) = 411.5 kg
Fuerza ficticia
0.2*(1132.4kg+411.5kg)*9.81m/s2
= 3026 N o 3.02 KN
Quedando dimensionada de esta manera:
Figura 4
Estructura Cargada
Figura 5
Deformaciones
Figura 6
Deformaciones
Figura 6
Diagramas de Esfuerzos cortantes XY
Figura 7
Diagramas de Esfuerzos cortantes XZ
Figura 8
Momentos Flectores Y
Figura 9
Momentos Flectores Z
Figura 10
Como se puede observar en la figura los elementos que sufren las mayores deformaciones son la lámina de alfajor alcanzando valores de 0.67 m, para lo cual resulta siendo considerable la ubicación de vigas de refuerzo sobre estos tramos. Otro aspecto evidenciado resulta en que los deformaciones en la viga resultan ser de 0.06m o 60 mm, por encima del permitido. Para esto se simulara nuevamente pero con el refuerzo transversal antes mencionado. CAMBIO DISEÑO ESTRUCTURA - SIMULACION 2
Material
Viga 29.8((3*6)+(4*2)+(6*2)+ (5*2)) =1430.4 kg
Lamina de alfajor de 1/4 in
2700Kg/m^3*(6m*4m*(0.00635m)) = 411.5 kg
Fuerza ficticia
0.2*(1430.4kg+411.5kg)*9.81 m/s2
= 3613 N o 3.6 KN
Diseño 2 Estructura
Figura 11
Deformaciones
Figura 12
Deformaciones
Figura 13
Diagramas de Esfuerzos cortantes X Y
Figura 13
Diagramas de Esfuerzos cortantes X Z
Figura 14
Momentos Flectores Y
Figura 15
Momentos Flectores Z
Figura 16
Como se pudo observar en el cambio de
diseño, al colocar los elementos diagonales y
soportar el alfajor sobre estos, las
deformaciones disminuyeron efectivamente,
dando para este caso una deformacion
maxima de 15mm para las vigas, valor
satisfactorio puesto que no se supera el
estipulado al encontrarse casi 5 mm de este,
lo que le da factibilidad para realizacion de
el diseño propuesto.
Los cortantes y momentos en este caso
cambian drasticamente al introducir estos
nuevos elementos donde se redujeron
permitiendo que los elementos sufren
menos daños por corte o flexion, tambien
cambiaron la ubicación, ya que patra estos
casos actuan mayormente en los nudos
donde se encuentra el elemento diagonal, y
se distribuyeron entre las 6 columnas (MF Z),
aspecto que no ocurrio anteriormente.
En un nuevo analisis se considerara un
cambio de las dimensiones del perfil de tal
manera que la estructura sea mas liviana y
que permita tener un factor de seguridad
cercano a 1.1.
CAMBIO DE PERFIL - SIMULACION 3
Material
Viga 13.5((3*6)+(4*2)+(6*2)+ (5*2))= 648 kg
Lamina de alfajor de 1/4 in
2700Kg/m^3*(6m*4m*(0.00635 m)) = 411.5 kg
Fuerza ficticia 0.2*(648+411.5kg)*9.81 m/s2= 2076 N o
2.1 KN
Deformaciones
Figura 17
Deformaciones
Figura 18
Diagramas de Esfuerzos cortantes XY
Figura 19
Diagramas de Esfuerzos cortantes XZ
Figura 20
Momentos Flectores Y
Figura 21
Momentos Flectores Z
Figura 21
Como se puede ver al reducir la seccion, las
deformaciones aumentaron hasta llegar al
limite permitido, de lo anterior se infiere
que los perfiles seleccionados son los
optimos manteniendo el mismo diseño
propuesto de la estructura desde la segunda
simulacion pero sin considerar para esta
simulacion el factor de seguridad.
Otro factor apreciable es que tanto los
cortantes como los momentos flectores
disminuyeros significativamente por el
cambio de seccion que reduce la fuerza
ficticia, permitiendo que estos efectos no
impacten en gran medida sobre la
estructura.
Se simulara nuevamente pero cambiando los
perfiles de las vigas diagonales aun angulo
establecido.
CAMBIO PERFIL DIAGONAL CON PERFILES
SIMULACION 3 - SIMULACION 4
Material
Viga 13.5((3*6)+(4*2)+(6*2))+9.8(5*2) = 611 kg
Lamina de alfajor de 1/4 in
2700Kg/m^3*(6m*4m*(0.00635m))= 411.5 kg
Fuerza ficticia
0.2*(611+411.5kg)*9.81 m/s2=
2000 N o 2 KN
Angulo Diagonal
Deformaciones
Figura 22
Deformaciones
Figura 23
Diagramas de Esfuerzos cortantes XY
Figura 24
Diagramas de Esfuerzos cortantes XZ
Figura 25
Momentos Flectores Y
Figura 26
Momentos Flectores Z
Figura 27
Como se observó al cambiar el perfil de los elementos diagonales por un ángulo, estos aumentan su deformación hasta los 60 mm, por encima de lo permitido, otro aspecto es el aumento considerable de los esfuerzos cortantes en los nudos donde se encuentran apoyados las diagonales, con valores muy superiores, que posiblemente se genere falla en estos puntos a utilizarse este diseño, de tal manera que no se considera factible aun así la estructura sea más liviana puesto que no cumple con especificaciones dadas de seguridad.
CONCLUSIONES
De lo anterior se recomienda el uso de la
ESTRUCTURA N° 2, puesto que contempla el
límite de deformaciones máximas
establecidas, la distribución de cortantes y
momentos resulta la más homogénea
posible. Como aspecto final cabe resaltar que
es recomendable para el tipo de carga
utilizar alfajor de acero, de esta manera las
deformaciones sobre la placa serán mucho
menores a las encontradas y permitirá una
mayor durabilidad y estabilidad a la
estructura.
BIBLIOGRAFIA
Ministerio de Ambiente, Vivienda y
Desarrollo Territorial, REGLAMENTO
COLOMBIANO DE CONSTRUCCION
SISMO RESISTENTE -NSR-10
Perfiles comerciales y estructurales,
“aceros laminados en caliente”, [en
linea]. Mayo 2014. Disponible en la
Web:
http://www.deacero.com/Content/P
erfilesEstructurales.pdf
Software ANSYS 14.0