Download edificio industrial para el proceso de soja

EDIFICIO INDUSTRIAL PARA EL PROCESO DE SOJA
Ing. José Gómez / Cinter SRL / Santa Fe
Ing. Andrés Hazan / Cinter SRL / Santa Fe
Ing. Héctor Ruffo/ Cinter SRL / Santa Fe
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.
Estas estructuras de procesos son parte de una gran maquinaria y las mismas deben
adaptarse a ella. Es decir que 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.
Por todo esto, el análisis estructural, como la ingeniería de detalle, se realizó
interactuando permanentemente con la definición del equipamiento, pases y
conducciones necesarias para la instalación de toda la maquinaria requerida por el
proceso.
El edificio es de planta rectangular y sus dimensiones son 18.5m de ancho y 24m de
largo, con una altura máxima de 54 m. Debido al tipo de equipamiento a disponer dentro
del edificio, la estructura se concibió como mixta, realizándose de hormigón armado hasta
el nivel +8.50. Sobre este nivel, la estructura se planteó de acero en su totalidad.
La estructura de hormigón se compuso de pórticos en ambos sentidos principales y 2
niveles de losa que vinculan rígidamente el conjunto (+4.00 y +8.50). La parte metálica
constó de pórticos de alma llena de perfiles soldados con una serie de entrepisos
metálicos en 8 niveles diferentes.
ABSTRACT
This document is to present the structural engineering, fabrication and erection of soya
process industrial building.
This process structures are part of a big machine. All the equipments are going to be over
the structure and it is going to condition the structure analysis, the dimensions, bearing
types, etc.
In the project process, all the steps like structural analysis and detail engineering are very
conditioned to the definition of every machine, equipment and tubes that have to be
installed.
The building has a rectangular plant and it has 18.5m wide, 24m long and 54m high. The
first part (2 first levels) is a reinforced concrete structure and the other is made of steel.
The reinforced concrete structure has rigid frames in two principal directions and two floor
levels that join all the parts in a rigid way (+4.00 y +8.50). The steel structure has rigid
frames in one way and some diagonal bracings in the other orthogonal way. The frames
are composed by plate girders and there are 8 floor levels.
1- INTRODUCCIÓN
En las páginas siguientes, se describirá principalmente el desarrollo de la
ingeniería de detalle, la fabricación y el montaje del edifico industrial para proceso
de soja ubicado en una planta en las cercanías de la ciudad de Rosario, tarea que
estuvo a cargo de Cinter.
La obra se encuentra ubicada en la localidad de Timbúes, muy cercana a Rosario,
sobre la costa del río Paraná.
La estructura de acero en sí consistió en la ejecución de una torre de 55m de
altura total y una planta de aproximadamente 24m x 18.50. Los 2 primeros niveles
iniciales son con estructura de hormigón armado, a partir de allí la estructura es
de acero y consta de 8 entrepisos diferentes para la instalación de todo el
equipamiento necesario. En la figura 1 se muestran secciones y un entrepiso de la
torre.
HI
HI
DET. 2
+54,30
+49,50
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
+48,20
44,20
+40,44
DET. 2
DET. 2
40,40
+40,44
HI
35,40
+40,44
HI
HI
DET. 2
30,40
HI
HI
DET. 2
+20,50
HI
HI
HI
HI
+16,50
+35,44
+13,70
+12,50
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
HI
DET. 2
DET. 2
+8,50
HI
+35,44
HI
HI
+4,00
+0,00
HI
HI
DET. 2
HI
Fig. 1 – Vista general de los equipos a soportar por la estructura
HI
En el punto 2.1. se explicará en detalle por que se decidió utlizar una solución
mixta con un par de niveles inferiores con estructura de hormigón armado.
2- DESARROLLO DE LA INGENIERÍA
2.1- Anteproyecto
Este proyecto de torre de acero, es el resultado del trabajo en conjunto entre
Cinter y su cliente, una importante cerealera de nivel internacional. El proyecto
tiene lugar dentro del período denominado en la Argentina:“Boom sojero”.
Se trata de un edificio en torre, de aprox. 24x19mts y 55mts de altura, donde
dicho edificio forma parte del proceso productivo de una planta de procesamiento
de soja. En dicha planta se desarrollan procesos de calentamiento de granos
(Bean Heaters), secado, elaboración de harinas, extracción de aceite de soja,
almacenamiento, etc.
Las necesidades planteadas oportunamente fueron, de un edificio que pudiera
albergar a las máquinas que forman parte del proceso de prelimpieza y
elaboración de harinas. Dicho proceso, consta de una serie de equipos y
conductos que se encuentran colocados uno a la salida del otro, de modo tal que
sea un proceso continuo. De esta manera, existe más de un modo de pensar y
diseñar el layout de las maquinarias y éste último, tiene influencia directa en la
geometría y características del edificio. En este caso en particular, al ser la
elección del cliente el proceso por gravedad, es que se desarrolla un edificio en
Torre (Fig.2).
Durante la etapa de anteproyecto intervinieron ingenieros mecánicos y civiles. El
rol de los mecánicos se centró en el proceso productivo y el de los civiles, en dar
soporte a dicha maquinaria; ambos interactuando constantemente con el fin de
lograr un conjunto armónico y funcional.
El edificio alberga en su interior aproximadamente 70 equipos que se hallan
distribuidos en 10 niveles. Dichos equipos se encuentran vinculados entre sí, con
conductos de diámetros que van desde 500mm hasta los 1000mm. Esta cantidad
de equipos y tamaño de 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.
La variedad de los equipos es muy amplia según se ve en la figura 3. En la misma
figura se observa una vista lateral de la maquinaria a la que debe dar soporte el
edificio en cuestión.
Fig. 2 – Vista general de los equipos a soportar por la estructura
El proceso de trabajo consistió en generar una estructura a partir de los equipos
en el interior del edificio. De este modo, se comenzó la etapa de
predimensionamiento, donde se tuvieron en cuenta cuestiones como:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
tamaño del paquete estructural de los pisos técnicos
alturas libres
pases y agujeros en entrepisos
ubicación de columnas
ubicación de arriostramientos verticales
pendiente del techo
deformaciones admisibles para equipos
estimación de las magnitudes de cargas
etc,
Fig. 3 – Listado descriptivo de equipos. Esquema en corte de equipos.
De esta manera se generó, con un software especializado, una maqueta en tres
dimensiones con el fin de analizar los espacios disponibles. Este software posee
la particularidad de poder generar cortes en la maqueta con el fin de ver distintas
situaciones (ver figura 4 donde se observa un corte horizontal a la altura del piso
3).
Fig. 4 – Maqueta tridimensional para análisis de interacción equipos-estructura
Luego de analizar estructuralmente el comportamiento del edificio y debido a la
presencia de vibraciones importantes en los primeros niveles, transmitidas por los
equipos a la estructura, se decide hacer una solución mixta de hormigón y acero.
La primera parte en hormigón armado llega hasta los 8.50mts y desde este nivel
hasta la altura final de la torre (55mts) en acero. Así se llega a una solución
técnica – económica aceptable.
La planta a la que se arribó (ver figura 5), no resulta ser la más eficiente desde el
punto de vista estructural, pero sí desde el punto de vista funcional del proceso.
Hay que tener en cuenta de que estos edificios brindan apoyo a los equipos de
modo tal de estos son mandatorios, además el orden de inversión de la
maquinaria es mucho mayor que el de la estructura, de modo tal de que los
cambios en pos de la eficiencia son pensados para aplicar en dicho proceso.
Fig. 5 – Esquema de planta tipo de los niveles operativos
A partir de tener un diseño preliminar, con la ubicación de cada uno de los
equipos, la definición de cada uno de los niveles necesarios en la torre y la
concepción estructural definida, se procede a realizar el análisis estructural de la
estructura en su conjunto.
2.2- Análisis estructural
Definida la geometría de la estructura en función del anteproyecto explicado en el
ítem anterior, se procede a definir la topología, en función de lograr el paquete
estructural mas eficiente desde los puntos de vista funcional, de fabricación y de
montaje, sin descuidar el aspecto económico.
Esto conlleva una serie de análisis sobre la base de modelos, que se van
optimizando por aproximaciones sucesivas, hasta lograr el objetivo deseado.
Dadas las condiciones del suelo y la ausencia de napas en los niveles
recomendados, se adopta un sistema de fundación indirectas en base a pilotes
excavados, con acampanamiento en la parte inferior, vinculados entre si mediante
riostras a nivel de los cabezales. Se modelaron con sus respectivas secciones y
se utilizaron resortes definidos en base al área de influencia y coeficientes de
balasto, tanto vertical como horizontalmente (Figura 6).
Fig. 6 – Modelado de pilotes con sus respectivos resortes
Debido a la naturaleza de los equipos, se decidió realizar los dos primeros
niveles, +4.00m y +8.00m con columnas y vigas de hormigón armado.
Se adopto un sistema de vigas cruzadas, empotradas a las columnas, con losas
colaborantes armadas en dos direcciones.
Se modelaron con sus respectivas secciones, conectividades y materiales (Figura
7).
Fig. 7 – Modelado de estructura de hormigón
Los restantes 9 niveles operativos, se proyectaron totalmente en acero, por ser
mas apropiada este tipo de estructura al lay out propuesto por los equipos. Para el
análisis estructural se realizó un único modelo en 3 dimensiones, en el que se
incluye la estructura de hormigón (teniendo en cuenta la compatibilidad suelo
estructura) y la estructura de acero hasta el nivel superior (Figura 8).
Fig. 8 – Modelo completo estructura de acero y hormigón con elementos finitos.
Todas las columnas de acero de esta estructura están vinculadas en forma
articulada al hormigón, asegurándose la estabilidad del conjunto mediante cruces
de San Andrés colocadas en las 4 caras.
Los pisos también se rigidizaron para asegurar la estabilidad de las columnas
interiores. Esta tarea es bastante compleja en este tipo de obras, debido a que se
deben compatibilizar todas las cruces de dicho arriostramiento con la posición de
los equipos en cada nivel operativo de la torre.
Las columnas se diseñaron con uniones tipo “Slip Critical” para asegurar su
alineación y mantener su posición vertical.
Las vigas de los distintos niveles se fijaron en forma articulada a las columnas, lo
mismo que las vigas secundarias a las principales.
A cada elemento del modelo, se le asigno su correspondiente sección, material,
conectividad .
Las distintas acciones contempladas en el análisis, se introdujeron según
corresponde, como puntuales o distribuidas, en función de los apoyos de los
distintos equipos. Esta tarea es particularmente delicada debido a la cantidad de
acciones que se presentan en este tipo de estructuras. En la figura 9 se muestra
una imagen del modelo con la introducción de las cargas de equipos en uno de
los niveles operativos.
Fig. 9 – Modelado de cargas de equipos en uno de los niveles operativos
Resuelto el modelo tridimensional con la utilización del programa Ram Advanse,
se procedió a la verificación de los distintos elementos metálicos, siguiendo los
lineamientos del AISC-ASD para las estructuras de espesores mayores o iguales
a 3/16” y los lineamientos de AISI-ASD para las estructuras delgadas (e<3/16”).
También se verificaron los desplazamientos globales y locales de los puntos
críticos de la estructura, para verificar que estén dentro de las tolerancias
admisibles para el correcto funcionamiento del equipamiento.
Luego de dimensionados los elementos se procedió al diseño de las conexiones
de los mismos, de manera que las piezas sean fácilmente transportables y
montables. Para esto último se tienen en cuenta las limitaciones geométricas que
implica el proceso productivo de la fábrica, el transporte y el montaje.
La transmisión de los esfuerzos de la torre de acero a la estructura de hormigón
se realiza mediante un sistema de anclajes con pernos de acero de alta
resistencia (450 Mpa de límite elástico) para tomar las tracciones y una nariz de
corte de acero para tomar los esfuerzos cortantes. Este último elemento es vital y
la coordinación entre la ejecución de los niveles de hormigón armado con el
diseño y la fabricación de la estructura metálica es fundamental. Los esfuerzos de
corte máximo a transmitir estuvieron en el orden de los 660 KN por columna.
El dimensionamiento de las fundaciones y de los elementos de hormigón, se
realizo por separado, según los criterios del Cirsoc vigente.
El modelo final, se exporto mediante un archivo de intercambio SDN (Steel Detail
Neutral file) al programa de detallamiento Xsteel.
2.3- Ingeniería de detalle
Para realizar la ingeniería de detalle de la estructura principal se utilizó el software
de Tekla Inc “X-Steel 10.1” sobre plataforma Windows 2000.
La geometría de la estructura se importó directamente desde el software de
cálculo “RAM Advanse” y se modeló la estructura íntegramente en 3D. A pesar de
utilizar el soft para el detallamiento de la estructura de acero en particular,
también se modela con este programa la estructura de hormigón armado de los
primeros niveles y los principales equipos para hacer un chequeo final de posibles
interferencias (Fig. 10).
Fig.10 – Vista tridimensional del modelo de la estructura y equipos con X-Steel
Hay 2 aspectos que son importantísimos para el correcto desarrollo de la obra, en
lo que hace a la transición de la estructura de hormigón con la estructura de
acero. Uno de ellos es el correcto detallamiento de los nichos para alojar las
narices de corte y el otro tiene que ver con entrepisos de acero que se ejecutan
entre estructura de hormigón armado. Para esto último, en el mismo modelo
tridimensional, se presentan las placas que se dejarán embebidas en el hormigón
a fin de soldar a las mismas las vigas de los mencionados entrepisos.
Una vez completado el modelo 3D, se obtienen en forma automática los planos de
fabricación de las partes, los planos de armado, los archivos CNC para perforado
de perfiles, lista de materiales, lista de bulones, y se realizan los planos de
montaje, en vistas, plantas, detalles e isometrías (Fig. 11).
Fig. 11 – Ejemplo de planos automáticos generados con X-Steel
3 - FABRICACIÓN
La fabricación de la estructura se ejecutó con materiales de calidad ASTM A36 (o
IRAM-IAS F26) para los perfiles armados y los laminados pequeños (en su
mayoría de producción nacional). También se utilizaron, en algunos casos
particulares, perfiles W con calidad de acero A572-G50. 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 oxiacetilénico, 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 consistió en: conformado del perfil en frío a partir de fleje,
punzonado mediante punzonadora CNC, tratamiento superficial y pintura en polvo
termoconvertible. En el caso de los perfiles laminados (angulares) el proceso es
idéntico salvo que no se conforman.
La producción se ejecutó en la planta industrial de Cinter SRL en Santa Fe.
4 - MONTAJE
4.1- Estructura
El montaje requirió, en primer lugar, un análisis detallado del equipamiento mas
eficiente para elevar las piezas y colocarlas en su posición. Debido a la gran
altura del edificio y a que las piezas de mayor peso no eran muy significativas, la
solución adecuada resultó ser la de la instalación de una grúa torre fija en uno de
los laterales del edificio. Dada su gran altura, la grúa se fue elevando a medida
que se lo requería y se arriostró a la estructura ya ejecutada al centro de la altura
y a los 40m (Fig. 12)
Un aspecto muy 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 (Fig. 13)
Fig. 12 – Ubicación de grúa torre (al inicio y luego arriostrada a la estructura metálica)
Fig. 13 – Vistas de interacción equipos – estructura de acero
Todas las uniones en obra, se pensaron ejecutar abulonadas. Para ello se utilizan
bulones del tipo A325 con terminación superficial bicromatizado con la sección de
la rosca fuera del plano de corte (A325x). Debido a la altura del edificio y
siguiendo los lineamientos del AISC, todas las uniones que constituyen la
estructura portante principal deben estar pretensadas. Para lograr esto se utiliza
el método del giro de la tuerca para el apriete de los bulones de este tipo de
uniones. En las fotos de la figura 14 se pueden observar detalles de uniones
abulonadas de la estructura portante principal.
Los pisos se realizaron con rejillas metálicas tipo “grating”. Las mismas se envían
a medida en obra de acuerdo con la ingeniería de detalle desarrollada y se
vinculan a la estructura mediante 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. En el caso de
barandas sobre estructura de hormigón, las mismas se colocan mediante insertos
con resina epoxi.
Fig. 14 – Uniones abulonadas de la estructura portante principal
4.2- Cubierta y cerramientos laterales
La cubierta del edificio se realiza con chapa de acero al carbono conformada en
obra según un perfil tipo “Cinter 610” continua, sin solapes, no perforada y con
doble engrafado. El cerramiento lateral se realiza con chapa de perfil T101, tal
como se aprecia en las fotos de la figura 15.
Fig. 15 – Vista exterior e interior del proceso de chapeado del cerramiento.