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Proyecto de Reparación Torre de Enfriamiento de Madera Aserrada. Desafios Estructurales Considerando los Criterios de la Norma sísmica NCh2369 para Estructuras Industriales

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This paper describes the different aspects and challenges considered in the seismic design of the sawn timber cooling tower for a smelting plant in the Antofagasta region. The project considered the inspection, design and repair of the existing tower with national and international sawn timber, considering the criteria of the industrial structures standard NCh2369. For the design of the elements of sawn timber, the C + T software was used, the first software created in Chile and Latin America capable of designing based on the NCh1198 standard.
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Repair Project of Timber Cooling Tower. Structural Challenges Considering the
Criteria of the Seismic Standard NCh2369 for Industrial Structures in Chile.
Proyecto de Reparación Torre de Enfriamiento de Madera Aserrada. Desafios
Estructurales Considerando los Criterios de la Norma NCh2369 para Estructuras
Industriales
Ignacio González (1)
(1) Ingeniero Civil Estructural, Eligemadera / IGR Structural Engineering
email: ignacio@igr-se.cl
Resumen
Este trabajo describe los distintos aspectos y desafíos considerados en el diseño sísmico de la torre de
enfriamiento de madera aserrada para una planta de fundición en la región de Antofagasta. EL proyecto
consideró la inspección, diseño y reparación de la torre existente con madera aserrada nacional e
internacional, considerando los criterios de la norma industrial NCh2369. Para el diseño de los elementos de
madera aserrada se utilizó el software C+T, primer software creado en Chile y Latinoamérica capaz de diseñar
en base a la norma NCh1198.
Palabras-Clave: Torre de enfriamiento de madera, estructuras industriales
Abstract
This paper describes the different aspects and challenges considered in the seismic design of the sawn timber
cooling tower for a smelting plant in the Antofagasta region. The project considered the inspection, design and
repair of the existing tower with national and international sawn timber, considering the criteria of the
industrial structures standard NCh2369. For the design of the elements of sawn timber, the C + T software was
used, the first software created in Chile and Latin America capable of designing based on the NCh1198
standard.
Keywords: Timber cooling tower, industrial structures
XII Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Sísmica ACHISINA 2019 Valdivia, 03 al 05 de Abril 2019
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1 Introducción
El proyecto consta de una torre de enfriamiento de madera aserrada que data del año 2002, la que
originalmente se construyó con madera aserrada de pino oregon de procedencia de EEUU, douglas fir.
Debido a las condiciones de operación de la torre con altas temperaturas, quimicos y humedad, la
estructura se fue deteriorando hasta alcanzar niveles críticos para un buen comportamiento
estructural.
De acuerdo a las condiciones antes descritas, nuestra oficina tomo el desafío de devolver la capacidad
resistente de la estructura cumpliendo con la normativa sísmica para estructuras industriales
NCh2369.Of2003 [1] y la norma de diseño para estructuras de madera NCh1198.Of2014 [2].
El diseño de los elementos estructurales de las especies de madera aserrada utilizados durante el
proyecto de ingenieria, se realizo con el software de diseño C+T de Eligemadera.
2 Antecedentes del proyecto
La estructura de la torre de enfriamiento está formada estructuralmente por un conjunto de marcos
arriostrados de madera aserrada en ambas direcciones de análisis. En el nivel superior de la
estructura se ubican los equipos mecánicos y de ventilación.
Fig. 1 - Planta de la torre de enfriamiento
Fig. 2 - Torre de enfriamiento
La estructura de la torre debe ser capaz de resistir el peso de los equipos que soporta y a su vez debe
mantener el proceso de operación ante eventos sísmicos.
3 Daños Estructurales antes de la reparación
Se realizó una visita de inspección donde se tomaron notas del estado actual de la estructura. La
información obtenida sirvió como input de información relevante para el desarrollo de la ingeniería,
como son, materialidad, dimensiones, ubicación y estado de conservación.
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Fig. 3 - degradación en elementos perimetrales
Fig. 4 - Perdida de sección de arriostramientos
Fig. 5 - -Perdida de sección en vigas de soporte de
equipos
Fig. 6 - Corrosión y debilitamiento de uniones
Fig. 7 - Perdida de sección en columnas perimetrales
Fig. 8 - Daño crítico en columnas, vigas y puntales
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4 Criterios para el diseño estructural
Propiedades de los materiales
Es importante en todo tipo de proyecto de madera estructural definir claramente las especies con
las cuales se trabajarán, en este caso se utilizaron las siguientes especies:
- Madera aserrada columnas: Pino Oregón, grado estructural N°1 al 30% de contenido de
humedad según NCh1198. Impregnación con sales de CCA para riesgo R5.
- Madera aserrada vigas y arriostramientos: Pino radiata, grado estructural C24 al 30% de
contenido de humedad según NCh1198. Impregnación con sales de CCA para riesgo R5.
Cargas de diseño
Cargas permanentes utilizadas para el diseño estructural, corresponden a lo señalado en la
NCh1537.Of2009[3] y los criterios de diseño indicados por el cliente para este tipo de estructuras.
- Carga muerta niveles inferiores (vigas 50x160) : 50 kg/m²
- Carga muerta nivel superior (Cargas de equipos y otros) : 50 kg/m²
- Carga de uso de piso nivel superior (zona de equipos[4]) : 200 kg/m²
Determinación de espectro de diseño.
Tabla 1: Parámetros espectro de diseño NCh2369 Of. 2003
Factor de importancia
1,00
Tipo de suelo
IV
Zona sísmica
3
Razón de amortiguamiento
0,03
Factor de modificación de respuesta
3
Coeficiente sísmico máximo
0,34
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Fig. 9 - Espectro de diseño según NCh2369 de acuerdo con los antecedentes del proyecto
Antecedentes generales del análisis sísmico
CATEGORÍA DEL EDIFICIO: C2
ZONA SÍSMICA:
3
TIPO DE SUELO: IV
RAZÓN DE AMORTIGUEMIENTO:
ξ = 0.03
FACTOR DE MODIFICACIÓN DE LA RESPUESTA R = 3
COEFICIENTE DE IMPORTANCIA: I = 1.00
ACELERACIÓN EFECTIVA MÁXIMA: Ao = 0.40 g
T' = 1.35 (s)
n = 1.8
PESO DEL EDIFICIO: P = 134.9883 (T)
PERIODO FUNDAMENTAL DIRECCIÓN X:
T*x =
0.172144 (s)
PORCENTAJE DE MASA ASOCIADA Mx = 81.6013 (%)
PERIODO FUNDAMENTAL DIRECCIÓN Y:
T*y =
0.183748 (s)
PORCENTAJE DE MASA ASOCIADA My = 85.3738 (%)
COEFICIENTE SÍSMICO EN DIRECCIÓN X: Cx = 18.323
COEFICIENTE SÍSMICO EN DIRECCIÓN Y: Cy = 16.293
COEFICIENTE SÍSMICO MÍNIMO: Cmin = 0.100
COEFICIENTE SÍSMICO MÁXIMO: Cmax = 0.340
COEFICIENTE SÍSMICO EN DIRECCIÓN X: Cx = 0.340
COEFICIENTE SÍSMICO EN DIRECCIÓN Y: Cy = 0.340
CORTE BASAL EN DIRECCIÓN X: Qox = 45.896 (T)
CORTE BASAL EN DIRECCIÓN Y: Qoy = 45.896 (T)
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Fig. 10: Modelo estructural tridimensional de la torre
El factor de reducción de la respuesta utilizado en el proyecto, R=3, es menor al indicado
normativamente por la norma sísmica industrial, R=4. Si bien las piezas y las uniones en la parte
central de la torre estaban en buen estado de conservación, se adoptó este criterio que es un tanto
conservador debido a que no se obtuvieron mayores antecedentes de las uniones en la parte central
de la torre.
El proyecto de reparación contempló modificar el perímetro de la estructura, que es dónde se
observó el daño crítico (Fig.11 y Fig.12).
Fig. 11 - Ejes longitudinales a reemplazar
Fig. 12 - Ejes transversales a reemplazar
Uniones
Un punto clave para el correcto desempeño de la estructura ante solicitaciones sísmicas, son las
uniones. Las uniones de las estructuras de madera deben cumplir con los requisitos normativos de
acuerdo a NCh1198.Of2014. Además, deben tener un comportamiento dúctil y una resistencia de falla
inferior a los elementos de madera conectados.
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5 Resultados finales del proyecto
Diseño estructural
Para el diseño de elementos estructurales con las especies de madera utilizados en el proyecto (Pino
Oregón de EEUU y Pino Radiata nacional), fueron diseñados con el software C+T, software de creación
nacional y el primero en su tipo en Latinoamérica. Con la utilización del software se obtuvieron las
verificaciones de los elementos y uniones de manera rápida y sencilla, lo cual facilitó el trabajo de
ingeniería en los tiempos de ejecución del proyecto.
Fig. 13 - Interfaz diseño de vigas
Fig. 14 - Interfaz diseño de columnas
Fig. 15 - Interfaz diseño de uniones
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Desafíos en la ejecución del proyecto
Otro de los desafíos para lograr la correcta reparación de la torre de enfriamiento, fue ejecutar todos
los refuerzos y cambios de piezas en el tiempo estipulado por el cliente. En este caso se contaron con
3 semanas de trabajo para la ejecución de las obras, tiempo en el cual se realizó una parada de planta
general.
Como los tiempos fueron críticos para la ejecución de la obra, se optó por prefabricar la estructura de
madera para lograr dar con los tiempos indicados. Para este propósito fue necesario adoptar una
nueva herramienta de ingeniería, por lo que se utilizó el programa Cadwork, que es un referente en
Europa para el desarrollo de soluciones 3D CAD/CAM. Con esta herramienta se logró dar continuidad
a las fases del proyecto, desde el diseño hasta la producción en obra.
Fig. 16 - Vista 3D eje transversal en Cadwork
Como se muestra en la figura (Fig.16), se pueden obtener detalladamente todas las piezas de madera,
placas de acero, pernos y conectores que se requieren en cada eje de la estructura de manera precisa,
lo cual impactó de forma positiva en los tiempos de ejecución del proyecto.
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Fig. 17 - Restitución columnas perimetrales
Fig. 18 - Restitución arriostramientos
Fig. 19 - Reparación de uniones en arriostramientos
Fig. 20 - Reparación de placas base
Finalmente, la ejecución de los trabajos durante el tiempo que duró la parada de planta se efectuó de
acuerdo a las indicaciones del proyecto de ingeniería.
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6 Conclusiones
- La estructura de la torre presentaba daños que limitaban su capacidad resistente ante eventos
sísmicos. En general y de acuerdo a la inspección realizada, la estructura presentaba daños
estructurales graves que ponían en peligro su capacidad resistente ante tales eventos.
- El proyecto de ingeniería para la torre de enfriamiento tuvo que adaptar el requerimiento del
funcionamiento general a las exigencias normativas vigentes. En ese contexto, se utilizaron
herramientas de ingeniería aptas para lograr el propósito antes mencionado, que en este caso fueron
para el diseño de los elementos estructurales el software C+T. Y para la prefabricación de las piezas de
madera, placas de acero, pernos y conectores se utilizó el software Cadwork.
- El diseño sísmico de la torre de enfriamiento se realizó considerando un factor de modificación de la
respuesta R=3, debido a que parte de la estructura central existente no se reparó. Si bien la
inspección visual de las piezas de madera y uniones realizadas en esa parte de la torre estaba en buen
estado de conservación, se adoptó un criterio conservador por no contar con mayor información. Por
lo tanto, se reforzó el perímetro de acuerdo a las exigencias de diseño.
- Se pudo lograr el objetivo inicial de devolver la capacidad resistente de la torre de enfriamiento y
cumplir con las exigencias normativas de acuerdo a NCh2369 y NCh1198 utilizando herramientas de
diseño y fabricación de última generación.
7 Agradecimentos
- Empresa Tecnica Hansa por su apoyo en la inspección y construcción del proyecto.
- Harry Celedón por su apoyo en la inspección técnica.
- Markus Alexander Ziegler por su apoyo con el software Cadwork y los planos de fabricación.
8 Referencias
[1] INN Chile. NCh2369.Of2003 Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales.
[2] INN Chile. NCh1198.Of2014 Madera - Construcciones en madera - Cálculo.
[3] INN Chile. NCh1537.Of2009 Diseño estructural - Cargas permanentes y cargas de uso
[4] SPX Cooling technologies, Inc. Cooling towers fundamentals. Jhon C. Hensley, editor.
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