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DISEÑO Y EJECUCIÓN DE EDIFICIO INDUSTRIAL EN ACERO
DE MAS DE 50m DE ALTURA
Gómez, José*; Ruffo, Héctor **; Nieva, Pablo**
* Ing. Mecánico, ** Ing. Civil
Cinter SRL
[email protected]; [email protected]; [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo presentar el desarrollo de la ingeniería
estructural y su posterior ejecución (construcción, fabricación y montaje) de un
edificio industrial para el proceso de soja (3200 tn de estructura de acero, 300 tn de
grating y más de 70 tn de barandas).
Estas estructuras de procesos son parte de una gran maquinaria y las mismas
deben adaptarse a ella. Por lo tanto, es indispensable tener en cuenta todo el
equipamiento que se montará con posterioridad sobre dichas estructuras, ya que
condicionan el cálculo, las dimensiones, la tipología de apoyos, etc. Hasta el
proyecto de elementos menores como barandas y escaleras es sumamente
importante, ya que estos elementos no solamente no deben interferir los procesos,
sino que deben estar diseñados especialmente para controlarlo.
Por todo lo anterior, tanto el análisis estructural, como la ingeniería de detalle, se
desarrollan interactuando permanentemente con la definición del equipamiento,
pases y conducciones necesarias para la instalación de toda la maquinaria requerida
por el proceso. En la actualidad, gracias a la potencialidad de los programas
tridimensionales y a su interactividad, es posible mantener ambos procesos dentro
de una misma maqueta.
ABSTRACT
This paper aims to present the development of structural engineering and
subsequent fabrication and erection of an soybean industrial building process (3200
tons of structural steel, 300 tons of grating and more than 70 tons handrails).
These process structures are part of a big machine and they must adapt to it.
Therefore, it is essential to take into account all the equipment because are one of
the main conditions for the steel structure design. The design of miscellaneous steel
like handrails, gratings and stairs, is very important because are part of the process
of the plant.
For all these reasons, both structural analysis and detailed engineering are
developed constantly interacting with the definition of equipment and piping passes
required for the installation of all machinery that the process need. Today, thanks to
the potential of three-dimensional programs and interactivity, you can keep the two
processes within a single 3d model.
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INTRODUCCIÓN
En las páginas siguientes se describirá, principalmente, el desarrollo de la
ingeniería de detalle, la fabricación y el montaje del edificio industrial para proceso
de soja ubicado en una planta en las cercanías de la ciudad de Rosario, provincia de
Santa Fe, Argentina. La estructura se ejecuta íntegramente en acero.
El edificio diseñado tiene como objetivo hacer el proceso de preparación de los
granos. El mismo está desarrollado en una superficie en planta de casi 12.000 m2,
con 3 niveles de cubierta bien diferenciados, llegando, en el mayor de los casos, a
una altura de 52m. La superficie total de entrepisos asciende a 20.000 m²,
desarrollándose en los distintos sectores de la obra, con un total de 16 niveles
operativos diferentes en el sector de mayor altura.
El proyecto total requiere de unas 3200 tn de estructura, 300 tn de grating y mas
de 70 tn de barandas, para dar soporte y funcionalidad a los más de 500 equipos
que se requieren para completar el proceso.
La obra que se encuentra ubicada en la localidad de Timbúes sobre la costa del
río Paraná, es parte de un megacomplejo sojero (Figura 1), que tendrá una
capacidad de molienda de soja de hasta 20.000 toneladas diarias en etapas
sucesivas, alcanzando una producción anual de seis millones de toneladas entre
aceite y harina de soja. Su cadena de valor incluye aceite crudo, harinas, biodiésel y
glicerina refinada, teniendo como aspectos destacables su autoabastecimiento
energético y puerto propio.
Figura 1. Key plan del megacomplejo sojero, Timbues - Santa Fe.
La obra que se presenta en este trabajo es la del edificio de preparación en el
cual la semilla es sometida a un proceso que consta de: Prelimpieza, Triturado,
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Laminado, Expandido y Secado, y Descascarado. Cada uno de estos procesos se
realiza en un sector específico del edificio por lo cual cada parte tiene su propio
diseño en función de los mismos. Así se pueden identificar 5 Módulos. En la Figura 2
podemos observar una imagen del edificio de preparación en particular.
Figura 2. Edificio de preparación.
DESARROLLO DE LA INGENIERÍA
En este tipo de proyectos, el edificio completo funciona como una gran máquina
de proceso en el que la estructura de acero juega un rol fundamental para darle
apoyo a los equipos y generar los espacios de circulación apropiados para atender
el mantenimiento de toda la infraestructura instalada.
En este caso, al tratarse de la planta de proceso de soja mas grande del mundo,
el proyecto era un desafío para todo el equipo de proyecto. En primer lugar, todo el
equipamiento necesario requiere un diseño especial que condiciona después el
diseño estructural. Debido a que los tiempos para la puesta en marcha de la planta
eran mínimos, la obra se ejecuta en un formato "Fast Track", en el que el desarrollo
de la ingeniería del proceso se hace en paralelo con la ingeniería de la estructura.
Esto último, requiere una tarea de coordinación muy fina entre los estructuralistas y
los ingenieros mecánicos encargados del diseño de los equipos y conductos
necesarios para el proceso.
Debido a lo anterior, en este tipo de proyectos no hay una etapa de anteproyecto
perfectamente delimitada, si no que se solapa con la etapa de proyecto ejecutivo. La
interacción entre los equipos mecánicos y civiles debe ser constante durante todo el
proceso con el fin de lograr un conjunto armónico y funcional.
Desde el punto de vista del proceso productivo, dentro del presente edificio se
realizan 5 procesos diferentes y para cada uno de esos procesos se define una
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sector o módulo de la estructura. Cada uno de los módulos tiene la estructura con
concepciones totalmente diferentes dado que responde a las necesidades del
proceso que allí se desarrollará.
En la Figura 3 se observa una planta del edificio en la que se indican cada uno de
los módulos y los procesos asociados.
Figura 3. Planta del edificio por sectores y procesos.
Debido a lo antes mencionado, el edificio tiene 3 niveles de cubierta diferentes,
pórticos de hasta 40m de luz, entrepisos metálicos con grating y entrepisos mixtos
(acero-hormigón).
El edificio alberga en su interior mas de 500 equipos. Esta cantidad de equipos y
tamaño de los conductos, resulta ser la condición de contorno más importante para
la resolución estructural de la obra, es decir, lograr que entre dicha estructura,
equipos y conductos, no existan interferencias tales que una anule la función de la
otra.
En la Figura 4 se pueden observar una maqueta con equipos a disponer sobre la
estructura de uno de los sectores de la obra. Toda la ingeniería de coordinación y de
detalle la realizó la misma empresa que fabricó la estructura.
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Figura 4. Esquema de equipos.
Para realizar el análisis de la estructura se parte de una grilla preliminar para
disponer columnas en base a la primera distribución de equipos requeridos por el
proceso productivo.
La estructura se modela completa en un modelo tridimensional de elementos
finitos de barras mediante el software RAM Elements V8i. En el modelo se
introducen cada una de las acciones que los diferentes equipos y conductos
producen sobre la estructura, incluyendo los efectos debido a cargas dinámicas y
vibraciones.
Figura 5. Vista general del modelo FEM de plataformas interiores del módulo 3.
Un aspecto importante del análisis, es la interacción con la infraestructura de
hormigón como fundaciones y túneles. Dado que hay sectores de la estructura que
apoyan sobre los túneles, es indispensable resolver la estructura metálica antes de
avanzar con el diseño de los túneles. Todo esto, en el contexto de una obra en la
que las cargas se van definiendo a medida que se confirma la compra de los
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diferentes equipos, atenta contra los plazos de la obra de forma permanente
.
La parte más compleja del edificio es la correspondiente al módulo 1 que con sus
52m de altura total, alberga en su interior 16 niveles de pisos operativos en el que se
disponen redlers, ciclones, zarandas, etc. La estructura de este módulo tiene
algunas particularidades que la hacen compleja desde el punto de vista de la
concepción estructural. En particular, además del equipamiento que se dispone
sobre la estructura de cada uno de los niveles, dentro de este sector hay 2 silos de
hormigón que interrumpen los niveles horizontales hasta el nivel +25 y, por
cuestiones de circulación, hay columnas de la grilla planteada en el anteproyecto
que no pueden llegar hasta el nivel de piso. En la figura siguiente se observan estos
detalles.
Figura 6. Silos interiores de hormigón y columnas eliminadas de la grilla de
anteproyecto.
La ingeniería de detalle se realiza sobre la base de un modelo tridimensional
generado con en el software Tekla Structures. El modelo básico se importa desde el
programa de elementos finitos mediante un archivo tipo SDNF (Steel Detail Neutral
File), a través del cual se transfiere toda la información referida a geometría,
secciones, calidad de acero, etc.
En el modelo tridimensional se detallan todas las conexiones de los elementos
estructurales, con la bulonería correspondiente. A partir de este modelo se emiten
los planos de fabricación, como un reflejo del mismo. Cada pieza tiene a su vez, un
archivo CNC (control numérico) asociado que puede ser interpretado por las
máquinas de la fábrica.
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Figura 7. Modelado de conexión en Tekla Structures.
Otro tema importante que se verifica durante el desarrollo de la ingeniería de
detalle son las interferencias con los equipos. A medida que se avanza en el
modelado de la estructura, se van incorporando al modelo las maquetas electrónicas
de los equipos y conductos. Esto permite ir detectando posibles interferencias y
plantear las soluciones mas convenientes para cada caso (ver figura 8).
Figura 8. Detalle de interferencia detectada entre estructura y equipamiento.
FABRICACIÓN
La fabricación de la estructura se ejecutó con materiales de calidad ASTM A36
para los perfiles armados y los laminados pequeños (en su mayoría de producción
nacional). También se utilizaron, en algunos casos particulares, perfiles W con
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calidad de acero ASTM A572 Gr50. La fabricación se realizó siguiendo las
especificaciones de fabricación de las normas AISC y AWS. Las correas de techo y
cerramientos laterales se materializan con perfiles de sección delgada conformados
en frío.
Los procesos de fabricación de los perfiles soldados fueron: corte a pantógrafo a
control numérico a plasma u oxiacetileno, soldadura automática de arco sumergido
para el armado del perfil, soldadura de accesorios y placas, corte a sierra de perfiles,
punzonado o agujereado de perfiles y placas en máquinas de control numérico,
granallado de piezas y recubrimiento final de pintura epoxi. Todas las máquinas
CNC poseen software de intercambio de información electrónica con ingeniería.
En cuanto a las estructuras de perfiles conformados en frío (correas), el proceso
de fabricación se ejecuta con una máquina que realiza los procesos de planchado,
punzonado, corte y conformado en línea. Este equipamiento tiene capacidad para
conformar perfiles de hasta 4mm de espesor en calidad A572-G50 y una variedad de
secciones transversales como ser perfiles Omega, U, C y Z. El tratamiento
superficial de estos elementos se realiza mediante una serie de baños químicos y
luego se aplica una pintura poliester en polvo termoconvertible.
La producción se ejecutó en una planta industrial ubicada en la Ciudad de Santa
Fe.
Figura 9. Fabricación de vigas armadas.
MONTAJE
El montaje requirió, en primer lugar, de un análisis detallado del equipamiento
más eficiente para elevar las piezas y colocarlas en su posición. En función de la
parte de la obra que se montó se utilizaron distintos equipos. Para el caso del
montaje del Módulo 1 (edificio de prelimpieza) debido a la altura (52 metros) y que
las piezas a montar no eran de un peso y tamaño significativo, se utilizaron dos
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grúas torre ubicadas a cada uno de los laterales de la estructura como se muestra
en la Figura 10. Conjuntamente se usaron también grúas móviles. El montaje en
este sector del edificio se realizo fundamentalmente pieza por pieza.
En el caso de los Módulos 2, 3, 4 y 5 (edificios de triturado, laminado, expandido y
secado, y descascarado respectivamente) el montaje se realizó en parte pieza por
pieza y en parte por módulos armados a nivel del suelo. El montaje en estos
sectores se realizo con grúas móviles. En las Figuras 11 y 12, se muestra el
esquema del módulo típico de vigas de cubierta a montar con dos grúas móviles.
Con este esquema de montaje se gana en velocidad y permite realizar gran parte del
montaje a nivel del suelo reduciendo los trabajos en altura.
Figura 10. Grúas torre. Montaje Módulo 1 (edificio prelimpieza).
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Figura 11. Esquema módulo de cubierta (edificio laminación, expandido y
secado).
Figura 12. Montaje módulo vigas de cubierta (edificio laminación, expandido y
secado).
Un caso particular en el montaje se dio en uno de los ejes en donde se realizó el
montaje de una viga de 42 metros de luz y 5 metros de altura. Para garantizar la
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estabilidad de la misma durante esta etapa se debió colocar una estructura auxiliar
tipo "violín" como se muestra en la Figura 13
Figura 13. Estructura auxiliar para montaje de viga.
Un aspecto importante en el análisis de estos trabajos, es la coordinación con el
cliente para el montaje de los equipos. La mayoría de los mismos no se pueden
instalar con la estructura terminada y por lo tanto el montaje se debe ir deteniendo
para permitir la ubicación de cierta maquinaria. Esto extiende los tiempos de montaje
y genera además, muchas situaciones temporales de la estructura en etapa de
montaje, que deben ser previstas en el cálculo. Por ejemplo en la Figura 14, se
indican las distintas etapas en que se tuvo que plantear el montaje de la estructura
del Módulo 1, de modo de permitir en simultáneo el montaje de la maquinaria y
equipos. En la Figura 15 se muestra la interacción entre la estructura propiamente
dicha y los equipos.
Figura 14. Etapas de montaje del Módulo 1.
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Figura 15. Interacción estructura y equipos.
Todas las uniones de obra se pensaron ejecutar abulonadas. Para ello se
utilizaron bulones del tipo A325X con terminación superficial bicromatizada. Debido a
la altura del edificio y siguiendo los lineamientos de la AISC, todas las uniones que
constituyen la estructura portante principal deben estar pretensadas. Para lograr
esto se utilizó el método del giro de la tuerca para el apriete de los bulones de este
tipo de uniones. El resto de los bulones se ajustaron según la condición "snug tight".
En las fotos de la Figura 16 se pueden observar detalles de las uniones abulonadas
de la estructura portante principal.
Figura 16. Uniones abulonadas.
Los pisos se realizaron con rejillas metálicas tipo "grating". Las mismas se envían
a medida a obra de acuerdo con la ingeniería de detalle desarrollada y se vinculan a
la estructura mediante grampas y tornillos autoperforantes. Las barandas para
protección en pases en pisos, pasarelas, escaleras, etc., se envían fabricadas en
largos de 6m a obra y se abulonan a la estructura de acero (Figura 17). En el caso
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de las barandas sobre la estructura de hormigón, las mismas se colocan mediante
insertos con resina epoxi.
Figura 17. Pisos tipo "grating" y barandas.
La cubierta del edificio y el cerramiento lateral se realiza con chapa de perfil T101
galvanizada calibre 22, tal como se aprecia en la fotos de la Figura 18. Tanto en la
cubierta como en el cerramiento se intercalaron chapas traslúcidas.
Figura 18. Vista aérea del edificio de preparación. Cubiertas y cerramientos
laterales.
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