3 DISEÑO DE DETALLE DEL TRANSPORTADOR AÉREO
3.1 INTRODUCCIÓN
El material y las Propiedades Mecánicas 1 para nuestro diseño son (Ver ANEXO 2):
-
Acero ASTM A - 36
-
Esfuerzo de Fluencia y = 250MPa
-
Esfuerzo Ultimo u = 400MPa
3.2 DISEÑO
En el capítulo 2 se analizo varias alternativas de transportadores aéreos y se determino que la mejor opción de diseño es el Teleférico Bicable de Vaivén.
Es el más adecuado a ser implementado por su reducido costo de construcción en comparación con los otros, su sencilla construcción y porque se puede reutilizar 1
BEER, Ferdinand, Mecánica de Materiales, Tercera edición, Editorial MgGraw-Hill, Apendice B, pág. 746
algunos dispositivos ya implementados en el transportador aéreo actual. También este tipo de Teleférico Bicable de Vaivén se usa en tramos menores de 500m
Se utilizara instalaciones de pinza fija, habitáculo de cabina cerrada, con puesto de mando en la estación de salida y llegada, contara además con movimiento de vaivén entre las estaciones. Los pesos a ser considerados son los siguientes:
-
Soportara el peso de 4 personas
-
El peso de la cabina que se la construirá con aceros estructurales
-
Peso propio de los cables carril y motriz
-
Peso de dispositivo de enganche de cabina al cable carril
También se diseñara la estación de llegada empleando una torre de apoyo construida en ángulo estructural. Se analizara la torre ya existente para ser reutilizada o ser rechazarla.
El sistema motriz se analizara a detalle con los debidos factores y dispositivos de seguridad, frenos y equipos de emergencia.
A continuación se presenta un esquema de las dimensiones del terreno en el cual será adecuado el teleférico Bicable de Vaivén.
Fig. 3.1.- Esquema del terreno
3.3 CÁLCULO DEL CABLE CARRIL
El peso a ser transportado por el Teleférico Bicable de vaivén planteado en este proyecto es de 500 Kg de los cuales:
320 Kg se toman del peso de 4 personas a ser transportadas tomando un promedio de 80 Kg por persona
Los 180 Kg restantes se utilizaran para el peso de la cabina y el mecanismo de sujeción de la misma
Se procede a convertir nuestro peso en Kgf, tomando en cuenta nuestra gravedad de 9.81 m/s2
3.3.1 CALCULO DEL DIÁMETRO DEL CABLE CARRIL
La Resistencia Verdadera se calcula con un factor de seguridad para cables carril de 3.5 (Ver Tabla No 1.)
Luego determinamos el diámetro del cable carril en base de la ecuación de esfuerzo
Por razón comercial (Ver ANEXO 1) tomaremos como 45 mm el diámetro del Cable de Acero Galvanizado. Para el manejo de cables de Acero ver Anexo 14
3.3.2 CALCULO DE LA TENSIÓN O CONTRAPESO DEL CABLE CARRIL
Para realizar el cálculo de tensión o contrapeso para el cable carril realizamos el siguiente ¨Procedimiento de Calculo Para Teleférico Bicable de vaivén¨ 2
En la figura 3.2 se muestran las fuerzas, tensiones y rozamientos que se presentan en un teleférico las cuales se procederán a calcular.
Fig. 3.2.- Esquema de fuerzas del teleférico en subida y bajada
Donde
(TE) Tensión en el ramal de retorno en la estación motriz (TS) Tensión en el ramal de subida en la estación motriz (T) Tensión en los dos ramales en la estación de retorno
2
MIRAVETE, Antonio, Transportadores y Elevadores. Universidad de Zaragoza. Edición 1996, p
298
(C)
Valor del contrapeso
(T peso) peso por metro lineal de cable en cada estado de carga (T roz) Rozamiento en el ramal (
) Variación de la tensión
Para realizar un predimencionado de un teleférico de vaivén en primer lugar se definen las variables de carga como:
3.3.2.1 Peso por metro lineal en vacio
Donde:
( ) peso del cable por metro lineal, diámetro de 45 mm es de 6.72 Kg/m 3 (s) Peso del vehículo (e) Distancia entre vehículos
La distancia entre vehículos (e) se da con:
Duración del servicio
3
LARBURU, Antonio, Maquinas Prontuario, Editorial Paraninfo 1999, Pag302
Donde: (L) Longitud recorrida por el teleférico Bicable de Vaivén. (v) velocidad de la cabina. Tomamos un valor de 2 m/s debido a que tenemos una sola cabina y tenemos una baja demanda de funcionamiento. (Ver Capitulo 2, Tema 2.5.4)
Intervalo entre cabinas
Donde: (N) Numero de personas a ser transportadas (Q)
Número de personas a ser transportadas en una hora durante un día.
Distancia entre cabinas
Debido a que la frecuencia de pasajeros es demasiada baja 0,42 personas/hora, los datos de intervalo entre cabinas y distancia entre cabinas son demasiado altos para la longitud de nuestro Teleférico Bicable de Vaivén, por lo que tomaremos que la distancia entre vehículos e = L longitud de teleférico (360.56 m) y concluimos con la implementación de una sola cabina de 4 pasajeros
3.3.2.2 Peso por metro lineal cargado
Donde:
(q) Carga vertical por pasajero
(N) Numero de pasajeros
3.3.2.3 Peso por metro lineal con un 33% de carga
3.3.2.4 Estudio de las variaciones de tensión
Se realizaran los cálculos admitidos en los transportes por cable en general, donde la catenaria (curva que forma una cuerda colgada de dos puntos fijos) se sustituyen por un arco de parábola y se estudian los casos más desfavorables que son:
1. lado de subida cargado y lado de retorno vacio
2. lado de subida cargado y lado de retorno cargado al 33%
3. lado de subida vacio y lado de retorno vacio
4. lado de subida vacio y lado de retorno cargado al 33%
3.3.2.4.1 Lado de subida cargado y lado de retorno vacio
3.3.2.4.2 Lado de subida cargado y lado de retorno cargado al 33%
3.3.2.4.3 Lado de subida vacio y lado de retorno vacio
3.3.2.4.4 Lado de subida vacio y lado de retorno cargado al 33%
3.3.2.5 Calculo de la Tensión del Cable Carril
Nos damos cuenta que la tensión es mayor en el primer caso ósea en el lado de subida cargado y lado de retorno vacio (Caso 3.3.2.4.1), por lo que tomamos este valor para el cálculo de la tensión del Cable Carril.
El valor de la Tensión del Cable Carril permanece constante en cualquier estado de carga.
3.3.2.6 Tensiones debidas al peso
Las tensiones debidas al peso se calculan con la formula
Donde
Peso por metro lineal cargado = (h) Desnivel entre estación motriz y de retorno
En la figura a continuación se muestra el esquema de fuerzas para el cálculo de Tensiones debidas al peso.
Fig. 3.3.- Esquema de fuerzas
3.3.2.7 Tensiones debidas al rozamiento Los rozamientos se deben de tomar muy en cuenta y se distribuyen linealmente en todo el desnivel de la línea. La carga sobre los apoyos afectada de un coeficiente igual a 0.028 produce unos rozamientos estimados que siguen la siguiente ecuación:
Donde
Peso por metro lineal cargado = ( ) Coeficiente de rozamiento dado por
(L) longitud
3.3.2.8 Incremento de la tensión para el arranque de la instalación
Primero debemos conocer el valor de la masa que se va a poner en movimiento que se determina por medio de la ecuación:
El incremento de la tensión para el arranque de la instalación se da por:
Donde
(a) aceleración que normalmente la instalación se calcula para que arranque en 20 seg
3.3.2.9 Determinación del Diámetro de la Polea para el Cable Carril
Para determinar el diámetro de la polea a usarse en el cable motriz que ira ubicada sobre la torre en la estación de llegada y que servirá para tensar en cable carril, se lo realiza en base de la tabla siguiente: Tabla. 3.1.-Poleas para Cable de Acero
FUENTE: Maquinas Herramientas. Larburu Nicolás. Tabla 4.9. pág. 306
En la tabla con un diámetro del Cable Carril del cable d = 45 mm se determina las dimensiones normalizadas de poleas (cuadro amarillo en la tabla 3.1).
El diámetro exterior se impone en un valor de 400 mm debido a las siguientes razones -
Difícil construcción de un diámetro tan grande como es 1100mm
-
Factores económicos
-
Poco uso, esta polea se usara solo en el momento de tensar el cable sobre la torre de sustentación y también dará un leve movimiento a causa de las dilataciones que presentara el cable carril
-
Por último y principalmente porque el cable no se envuelve totalmente en la polea sino que pasa por un tramo pequeño de la polea para ser tensado.
Tabla. 3.2.-Dimenciones de las Poleas para Cable de Acero Denominación
Sufijo Dimensiones
Diámetro exterior
(de)
400 mm
Ancho de polea
(a)
95 mm
Profundidad de canal
(h)
55 mm
Diámetro para el eje
(d1)
100 mm
Cojinete de diámetro ext.
(d2)
115 mm
Diámetro interior
(d1)
100 mm
3.4 DISEÑO DEL SISTEMA MOTRIZ
3.4.1 CALCULO DEL CABLE MOTRIZ
La Resistencia Verdadera se calcula con un factor de seguridad para cables carril de 4.5 (Ver Tabla No 1. Pág. 25)
Para el cálculo del diámetro del cable motriz se realiza en base del siguiente procedimiento de cálculo 4
3.4.2 CALCULO DEL COEFICIENTE DE SEGURIDAD
Según su aplicación, considerando cargas y servicio se dispone:
Grupo I: Cables sometidos a cargas parciales y servicio poco frecuente Grupo II: Cables sometidos a cargas totales y servicio normal Grupo III: Cables sometidos a cargas totales y servicio frecuente
El coeficiente de seguridad (s) a la rotura de los cables, se establece
Grupo I: s = 6-7 Grupo II: s = 7-8
4
LARBURU, Antonio, Maquinas Prontuario, Editorial Paraninfo 1999, Pag303
Grupo III: s = 8-10
Para nuestro cable carril consideramos como grupo II sometidos a cargas totales y servicio normal por lo que tomamos un coeficiente de seguridad s = 8
3.4.3 CALCULO DE LA CARGA A LA ROTURA (Tr)
Donde: (T) Carga total o Resistencia Verdadera que está sometida el cable (S) Coeficiente de seguridad
3.4.4 CALCULO DEL DIÁMETRO DEL CABLE MOTRIZ
Donde: (K) coeficiente que se dispone de:
0.32-0.34 para grupo I 0.34-0.36 para grupo II 0.36-0.38 para grupo III
A continuación se escoge de la siguiente tabla, en base del diámetro calculado igual a , el Cable de Acero galvanizado con Alma Metálica diámetro 18 mm (cuadro gris en la tabla 3.3), con una carga de rotura mínima de 279.41 KN . Para el manejo de Cables de acero ver Anexo 14.
Tabla. 3.3.-Dimenciones de Cables de Acero
FUENTE: Catalogo SERCABLES. S.A. pág. 25.
3.4.5 CALCULO DEL TAMBOR DE ENROLLAMIENTO DEL CABLE CARRIL
La fatiga por flexión en un cable está íntimamente relacionada con el diámetro del arrollamiento en los tambores y poleas.
Para evitar que estos valores sean excesivos es conveniente tener en cuenta dos mínimos:
Relación entre el diámetro de la polea o tambor y el del cable. Relación entre el diámetro de la polea o tambor y el del mayor alambre.
Procedemos a calcular el diámetro (D) del tambor de enrollamiento del cable motriz. 5
Donde: (s) Coeficiente de seguridad igual a 8 (Ver tema 3.4.1 Calculo del Coeficiente de Seguridad)
Escogemos de la siguiente tabla, según el diámetro 19 mm del cable motriz y de la carga T =
, se escoge las dimensiones del tambor (cuadro gris en la tabla 3.4)
Tabla. 3.4.-Dimenciones de Tambores para Cables de Acero
5
LARBURU, Antonio, Maquinas Prontuario, Editorial Paraninfo 1999, Pag303
FUENTE: Maquinas Herramientas. Larburu Nicolás. Tabla 4.9. pág. 306
Tabla. 3.5.-Dimenciones del Tambor de enrollamiento del Cable motriz Denominación Diámetro tambor
Sufijo Dimensiones (dt)
400 mm
(b)
2.5 mm
Paso de ranuras
(p)
22 mm
Radio del canal
(r)
10.6 mm
Espesor pared de tambor
(e)
16 mm
Longitud tambor
(L)
500 mm
Diámetro de tapas
(dt)
700 mm
Distancia centro del cable a filo de ranura del tambor
Se debe tomar en cuenta las siguientes consideraciones al trabajar con cables estructurales:
Para las poleas, los fabricantes recomiendan que en la relación entre su diámetro y el del cable, se cumpla D/d ≥ 22. El diámetro de la polea se considera medido desde el fondo de la garganta.
Fig. 3.4.- Disposición del tambor
Es conveniente que los tambores sean de tipo acanalado y tengan la disposición que se refleja en la figura 3.1 El ángulo a de desviación lateral que se produce entre el tambor y el cable debe ser inferior a 1,5º. Para enrollar un cable en un tambor debe tenerse presente el sentido de cableado, procediéndose según se muestra en la figura 3.5
Fig. 3.5.- Sentido de cableado
3.4.6 PESO DEL TAMBOR
Calculamos la masa del material que se construirá el tambor, para lo cual primero determinamos el volumen: Las dimensiones tenemos en Tabla 3.5
La masa es
Finalmente el peso del tambor es:
3.4.7 CÁLCULO Y DISEÑO DEL EJE DEL TAMBOR DE ENROLLAMIENTO DEL CABLE CARRIL.
En el diseño del eje deben considerarse los esfuerzos como las deflexiones, las deflexiones suelen ser el factor crítico, ya que una deflexión excesiva puede causar un desgaste rápido en los cojinetes del eje 6.
Las consideraciones de diseño de ejes son:
El eje debe ser lo más corto posible para minimizar deflexiones y esfuerzos Evitar ejes en voladizo y en lo posible utilizar apoyos en los extremos del eje
Al diseñar el eje del Tambor de enrollamiento del cable motriz es necesario determinar su par de torsión y las cargas.
3.4.7.1 Par de torsión Tm
Determinamos el par de torsión transmitido a partir de la potencia y la velocidad angular dada:
6
ROBERT L. NORTON, Diseño de Máquinas ,Editorial Prentice Hall, Primera edición, pág. 571
Donde: (P) Potencia del motorreductor escogido, 10.7 KN (Ver tema 3.4.8) (w) velocidad angular del Tambor 126 rpm
3.4.7.2 Cargas en el eje El análisis de las cargas se lo realiza para determinar momento máximo en el eje del tambor. El tambor al enrollar el cable motriz produce una fuerza tangencial calculada a continuación:
La tensión del cable motriz cuando es enrollado actúa sobre el tambor con una tensión de entre apoyos 0.60 metros.
. La longitud del tambor es 0.50 metros y la longitud
Fig. 3.6.-Esquema de fuerzas en el eje del rodete
Para obtener la fuerza resultante sobre el eje sumamos la tensión en el cable carril más fuerza tangencial más el peso del tambor (Ver tema 3.4.3):
Una vez determinada la fuerza resultante que actúa en el centro del eje, se determina el valor de las reacciones en cada una de los extremos, a continuación se presenta el diagrama de fuerzas, cortante y momento flector: Fig. 3.7.-Fuerza resultante en el eje
Donde:
Determinamos el momento flector máximo que se presenta en el eje.
Donde: Fr
Fuerza resultante aplicada al eje
L
Longitud entre rodamientos
Una vez determinados el momento flector y torsor máximo, procedemos a determinar el diámetro del eje:
El material con el cual se va a construir el eje del tambor es de Alta resistencia y baja aleación Assab 705 Grado 345, debido a que presenta una buena resistencia al desgaste, con las siguientes propiedades mecánicas (ver ANEXO 2):
Sy = Límite de fluencia = 345 MPa. Sut = Límite último de tracción = 450 MPa. Sf’ = Límite de fatiga = 225 MPa. (0.5xSut)
Considerando un factor de corrección para el límite de la fatiga en el eje se tiene 7:
Este valor de resistencia a la fatiga se tiene que reducir, aplicando varios factores, con el fin de tomar en cuenta las diferencias entre la pieza real y los cálculos.
Una vez que se tiene todos los datos se calcula el diámetro a cargas estáticas mediante la siguiente expresión:
Se determina la resistencia a la fatiga corregida.
Donde
7
Se
Límite de resistencia a la fatiga corregida
Ccarga
Factor de carga
Ctamaño
Factor de tamaño
Csuperficie
Factor de superficie
Ctemperatura
Factor de temperatura
Cconfiabilidad
Factor de confiabilidad
Se´
Límite de resistencia a la fatiga
NORTON, Robert, Diseño de Máquinas, Editorial Prentice Hall, Primera edición
Determinamos el valor de cada factor que modifica la resistencia a la fatiga, de acuerdo a los criterios de la teoría de fallas por fatiga:
Ccarga
Factor de carga o de reducción de de resistencia de forma. Para
cargas de flexión el valor de corrección de carga es: 1
Ctamaño
Factor de tamaño de reducción de esfuerzos, al no conocer el
tamaño de la pieza consideramos este factor igual a 1.
Csuperficie
Factor de superficie, se relaciona con la aspereza superficial de la
turbina.
Csup erficie
A Sut
b
(3.30) si Csup erficie 1.0 Csuperficie 1.0
Los coeficientes para la ecuación anterior son (Ver ANEXO 3). El factor superficial se encuentra en el
Ctemperatura
b
Csup erficie
A S ut
Csup erficie
4.51 860
Csup erficie
0,75
0.265
(3.31)
Factor de temperatura, para el caso el factor de temperatura se
considera de la siguiente manera.
para T
Cconfiabilidad
450 C 840 F :
Ctemp
1
Factor de confiabilidad, (ver ANEXO 4) en esta etapa de diseño
preliminar suponemos una confiabilidad de 50% tenemos Cconfiabilidad = 0,1.
Remplazando valores en la ecuación de resistencia a la fatiga, obtenemos el valor de resistencia a la fatiga corregida.
Se determina el factor de concentración de esfuerzos a fatiga (ver ANEXO 5), una aproximación se realiza con una relación de diámetros
r d
Kt
A
Kt
1.0165
Kt
0.4375
b
1 50
0 , 21548
Se procede a determinar el valor de la sensibilidad a las muescas (q), (ver anexo 9).
1
q
a r 1 0,093 1
1 q 1 q
0,77
(3.33)
El factor de concentración de esfuerzos a fatiga es:
Kf
1 q Kt
1
Kf
1 0,77 0.4375 1
Kf
0.56
(3.34)
La concentración de esfuerzos para un escalón cargado a torsión es inferior que para la misma cargada a flexión
Kt
Kf
El factor del componente medio del esfuerzo a torsión será:
K fsm
1 q Kt
1
K fsm
1 0,9 0.4375 1
K fsm
0.494
(3.35)
Finalmente realizamos una primera aproximación del diámetro del eje
d eje
d eje d eje
32 N f
32 * 3
kf
Ma se
2
1.98E 3 0.56 * 114.75
2
3 4
2
k fsm
Tm Sy
1 2
1 3
3 810.93 0.494 * 4 345
0.0462mm
2
1 2
1 3
(3.36)
Donde
Nf = Factor de seguridad, para esta aplicación n = 3. Sy = Esfuerzo de fluencia del material M m = Momento flector máximo. Tmáx = Torque máximo. Kf = factor de concentración de esfuerzos a fatiga. Kfsm = Componente medio del esfuerzo a torsión.
El diámetro del Eje según el cálculo es 46 mm, por razones de seguridad tomaremos un valor del diámetro en los apoyos (rodamientos) de 50 mm y de 55 mm en la longitud que ira soldado el tambor.
3.4.8 ELECCIÓN DE CHUMACERAS
Las cargas transversales máximas sobre el eje del tambor para enrollamiento del cable carril son:
Con una fuerza resultante de
El diámetro del Eje del Tambor tanto en Bx como By es de 50 mm, su velocidad es de 126 rpm. Las cargas de empuje en este caso son despreciables.
Del catalogo SKF del ANEXO 7, se escoge una chumacera # UCPG310D1 con un diámetro interior de 50 mm, extraemos sus datos: carga dinámica C = 35 KN, carga estática Cr = 23.2 KN.
Calculamos la vida proyectada 8 (L) de la chumacera, tomando el valor más alto de las reacciones en los extremos.
8
NORTON, Robert, Diseño de Máquinas, Editorial Prentice Hall, Primera edición
3.4.9 POTENCIA NECESARIA
Para el dimensionamiento de la potencia necesaria se utiliza el caso I (Ver tema 3.3.2.4), que es el más desfavorable, es decir subida cargado y retorno vacio.
Donde
(
) Variación de la tensión (daN)
(v) Velocidad (m/s) (n) rendimiento conjunto motor tomamos 0.95 (
) Potencia Requerida (CV)
Reemplazando
3.4.10
CALCULO
DE
LA
VELOCIDAD
DEL
TAMBOR
DE
ENROLLAMIENTO DEL CABLE CARRIL
Para el cálculo de la velocidad del tambor de enrollamiento del cable determinaremos por la formula9
9
CASILLAS, A.L., Maquinas cálculos de taller, Editorial Hispanoamericana, 23 Edición, pág. 48
Donde n = numero de revoluciones por minuto (rpm) R = radio del tambor un metros D = 400 mm V = velocidad en m/s (cabina)
Despejando la velocidad obtenemos
3.4.11 SELECCIÓN DEL MOTORREDUCTOR
Una vez que ya conocemos la velocidad de salida y la potencia del motorreductor procedemos a elegir en base del CATALOGO ¨REDUCTORES Y MOTORREDUCTORES¨ DE ANGEL LARREYNA S.A. Datos requeridos del motoreductor: Velocidad salida N2 = 100 rpm Potencia P = 11 KW
Selección:
1. Seleccionamos la posición del motorreductor AM P/f1 ya que necesitamos una posición horizontal.
Tabla 3.6.-Posicion del motoreductor
2. Elección de características técnicas: Escogemos el motoreductor número 11.1, que tiene la potencia y revoluciones requeridas.
Tabla 3.7.-Caracteristicas Técnicas del motorreductor
3. Posible acoplamiento con motores
Tabla 3.8.-Acoplamiento con motor
4. Dimensiones: buscamos las dimensiones de todo el motorreductor por el código de letras antes hallado AM 80/2 38/300 (B5)
Tabla 3.9.-Dimenciones del motorreductor
5. El código para el motorreductor elegido es: AM P 11.1 132B5 10.7KW
AM
VERSION
SIZE
IR
IEC
Kw
MOTORED
P
80/3
11.1
132B5
10.7
38 B5
Procedemos a verificar que la potencia nominal del motor potencia requerida por la instalación (
)
sea mayor que la
Con lo que se concluye que el motorreductor código AM P 11.1 132B5 10.7KW es el adecuado para la aplicación requerida.
3.5 CALCULO DE LA FLECHA
Para el cálculo de la catenaria (curva que forma una cuerda colgada de dos puntos fijos) se establece la hipótesis simplificada de considerar la curva del cable como parábola para evitar trabajar con funciones hiperbólicas Ecuación de una parábola
Deflexión en metros
3.6 DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA TORRE DE SOPORTE
Para realizar el cálculo estructural de la torre de soporte empezaremos con determinar las tensiones que se producen en la parte superior de la Torre de Soporte debido a la acción del cable Carril.
3.6.1 CALCULO DE TENSIONES EN LA TORRE DE SOPORTE
Para determinar las tensiones que se presentan sobre la Torre de Soporte primeramente calculamos los ángulos que se producen entre la línea del cable y la horizontal del suelo.
Determinamos el ángulo
Fig. 3.8.- Ángulos formados por el cable
En la estación de llegada tenemos el siguiente ángulo
al llegar el cable carril a la
polea que está en la cima de la torre 10 metros
En la estación de salida tenemos:
Al pasar por la polea el cable carril es llevado a un anclaje que se encuentra en el suelo a 7 metros de distancia desde el eje de la polea. Por lo que el ángulo formado por este cable es
. Cabe destacar que las tensiones van a ser las mismas por
lo que la denominamos
Fig. 3.9.- Ángulos formados por el cable carril
Ahora descomponemos cada tensión para obtener las resultantes en X y Y.
Fig. 3.10.- Componentes de las tensiones en el cable carril
Encontramos la componente
Encontramos la componente
Fig. 3.11.- Tensiones totales resultantes en el cable carril
3.6.2 CALCULO DE TENSIONES EN LA ESTACIÓN DE SALIDA
Este extremo del cable carril va anclado a una cimentación que está en el suelo por lo que no necesitamos de torre en esta parte.
Fig. 3.12.- Tensión resultante en el cable Carril estación de salida
Descomponemos fuerza en X
Descomponemos fuerza en Y
3.6.3 CALCULO DE LAS CARGAS DE VIENTO
En el cálculo de las cargas de viento presentes en la zona que se instalara el teleférico de vaivén se realizan a continuación teniendo en cuenta datos reales.
3.6.3.1 Cargas de Viento
La presión del viento en una estructura puede estimarse con la siguiente expresión10:
Donde: (V) velocidad anual media en la provincia de Zamora Chinchipe es de 12 m/s en la dirección norte-oeste11. Ver ANEXO 3
10
URIBE, Jairo, Análisis de Estructuras, Editorial Escuela de Ingeniería de Colombia, pág. 56 Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología, Anuario Meteorológico # 40, 2006, pág. 115,
[email protected] 11
Coeficiente de influencia de la altitud. Para una altitud de 970 m
12
a la que está ubicada la Provincia de Zamora Chinchipe sumada la altura a la que está ubicada la torre que es 300 m, tenemos 1270 metros, en la tabla 3.5(cuadro color gris) escogemos el factor de 0.83.
Tabla. 3.10.-Tabla de Coeficiente de influencia de la altitud
FUENTE: URIBE, Jairo, Análisis de Estructuras, Editorial Escuela de Ingeniería de Colombia, pág. 663, tabla B.6.4-2
Finalmente multiplicamos dicho valor q por el coeficiente
, (Ver ANEXO 6),
para obtener la presión de viento P, ejercida sobre cualquier punto de la superficie de la estructura.
12
Zamora (ciudad, Ecuador)." Microsoft® Encarta® 2009 [DVD]”. Microsoft Corporación, 2008
Donde: (Cp) Coeficiente de valores para superficies verticales. Como la estructura que se diseñara es prismática alargada escogemos de la tabla 3.6 el valor de 1.6
Tabla. 3.11.-Tabla de coeficiente superficies verticales
FUENTE: URIBE, Jairo, Análisis de Estructuras, Editorial Escuela de Ingeniería de Colombia, pág. 663, tabla B.6.4-2
Para determinar la carga puntual de viento sobre cada nodo de la estructura de la torre de soporte necesitamos calcular el área tributaria.
El área tributaria (At) es el área afectada por todas las cargas muertas, vivas, y por el viento que inciden directamente en el nodo. Es la mitad del área que soportara la carga Fig. 3.13.-Area tributaria de la torre de soporte
Donde: (L) Separación entre nodos (s) Separación entre soportes
3.6.3.2 CALCULO DE LA CARGA PUNTUAL DE VIENTO
La carga puntual de viento que actúa sobre los nodos de la torre de soporte se la determina de la siguiente manera:
Donde: (p) Presión de viento ( ) Área tributaria
3.6.4 CALCULO DE LAS CARGAS SISMICAS
Las especificaciones aquí presentadas deben ser consideradas como requisitos mínimos a aplicarse para el cálculo y diseño de una estructura, con el fin de resistir eventos de origen sísmico.
Dichos requisitos se basan principalmente en el comportamiento dinámico de estructuras de edificación. Para el caso de estructuras distintas a las de edificación, tales como reservorios, tanques, silos, puentes, torres de transmisión, muelles, estructuras hidráulicas, presas, tuberías, etc., cuyo comportamiento dinámico es distinto al de las estructuras de edificación, se deberán aplicar consideraciones adicionales especiales que complementen los requisitos mínimos que constan en el presente Código Ecuatoriano de la Construcción.
- Prevenir daños en elementos no estructurales y estructurales, ante terremotos pequeños y frecuentes, que pueden ocurrir durante la vida útil de la estructura.
- Prevenir daños estructurales graves y controlar daños no estructurales, ante terremotos moderados y poco frecuentes, que pueden ocurrir durante la vida útil de la estructura.
- Evitar el colapso ante terremotos severos que pueden ocurrir rara vez durante la vida útil de la estructura, procurando salvaguardar la vida de sus ocupantes.
3.6.4.1 Estructuras Diferentes a las de Edificación.
Las estructuras distintas a las de edificación incluyen todas las estructuras autoportantes que no son edificios, las cuales soportan cargas verticales y deben resistir los efectos sísmicos, tales como reservorios, tanques, silos, puentes, torres de transmisión,
muelles,
estructuras
hidráulicas,
presas,
tuberías,
etc.,
cuyo
comportamiento dinámico es distinto al comportamiento de las estructuras de edificación. Este tipo de estructuras se diseñarán para resistir las fuerzas laterales mínimas especificadas en este numeral, complementadas mediante consideraciones adicionales especiales aplicables a cada tipo de estructura.
El peso W de las estructuras incluirá todas las cargas muertas definidas anteriormente para el caso de edificios. Para propósitos de cálculo de fuerzas laterales
de diseño, W deberá incluir todos los pesos presentes debidos a los contenidos de dichas estructuras, en condiciones de operación máxima que en nuestro caso es la componente total
Para determinar las cargas sísmicas presentes en la zona donde se colocara la torre de soporte se procede a realizar el cálculo 13
3.6.4.2 Período Fundamental de la Estructura T
Se define como periodo de vibración de la estructura, se calculará utilizando métodos reconocidos de la dinámica estructural, tal como el siguiente método:
Donde:
) 10m, altura en metro medida desde la base de la estructura (Ct) Coeficiente que se lo determina en la siguiente tabla y escogemos el valor de 0.09 utilizado para pórticos o estructuras de acero.
Tabla. 3.12.-Tabla de Coeficiente Ct DESCRIPCION
COEFICIENTE Ct 0,09
Para pórticos de acero Para
0,08
pórticos
de
espaciales
de
hormigón armado con muros estructurales
13
espaciales
hormigón armado Para
0,06
pórticos
y
para
otras
URIBE, Jairo, Análisis de Estructuras, Editorial Escuela de Ingeniería de Colombia, pág.46
estructuras FUENTE: URIBE, Jairo, Análisis de Estructuras, Editorial Escuela de Ingeniería de Colombia, pág. 46.
3.6.4.3 Calculo del Cortante Estático
Para el caso de estructuras rígidas (con períodos menores a 0,6 s), éstas se deberán diseñar (incluidos sus anclajes) aplicando la fuerza lateral obtenida mediante la ecuación:
Donde: (Z) Factor en función de la zona sísmica que es la aceleración pico efectiva, En la tabla 3.8 ubicamos la Provincia de Zamora Chinchipe que se encuentra en la Zona sísmica 2 en la cual adopta un valor de Z = 0.25
(I) Coeficiente de importancia, En la tabla 3.14 la Torre de Soporte se ubica en la categoría de Edificaciones Esenciales y se asigna el valor del I = 1.5
Tabla. 3.13.-Tabla de valores del factor Z en función de la zona sísmica
FUENTE: CÓDIGO ECUATORIANO DE LA CONSTRUCCIÓN, Peligro Sísmico, Espectros de Diseño y Requisitos Mínimos de Cálculo para Diseño Sismo-Resistente, 2002, pág.22 Tabla. 3.14.-Tabla del factor de importancia I
FUENTE: CÓDIGO ECUATORIANO DE LA CONSTRUCCIÓN, Peligro Sísmico, Espectros de Diseño y Requisitos Mínimos de Cálculo para Diseño Sismo-Resistente, 2002, pág.22
3.6.4.4 Calculo de la Fuerza Sísmica Fs
Donde: (V) Cortante Estático (T) Periodo fundamental
3.6.5 CALCULO DE LAS CARGAS MUERTAS
Las cargas muertas son todas las cargas debidas al peso propio de la estructura. Para este caso vamos a suponer el uso de Angulo de 76 x 76 mm x 6mm, el cual tiene una área de A = 9.01 cm2
Calculamos la masa (m) La longitud total de material usado en la torre de soporte es de L = 26.16 m que se la obtiene sumando todas las longitudes presentes en la tabla 3.15
Donde (A) Sección del Angulo (L) Longitud totales
El peso que existe por metro cuadrado de la Torre de soporte es:
Donde:
es la sección de la torre de soporte
Donde (b) base del triangulo (a) Altura (B) Base del rectángulo
Ahora se procede a calcular la carga muerta
Donde:
puntual sobre cada nodo.
Área Tributaria. (Ver tema 3.7.1)
3.6.6 ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA TORRE DE SOPORTE
3.6.6.1 Dimenciones de la Torre de Soporte
Todas las dimensiones (en metros) de la torre se presentan a continuación para que nos ayuden en el cálculo de las tensiones en cada elemento estructural.
Fig. 3.14.- Dimensiones de la Torre de Soporte
Nota: Dimensiones en centímetros
Tabla. 3.15.-Tabla de dimensiones de la Torre de Soporte
3.6.6.2 Angulos en la Torre de Soporte
Fig. 3.15.- Ángulos de la Torre de Soporte
3.6.6.3 Análisis Estático con Diferentes Cargas
Se procederá a analizar la Torre de Soporte con las diferentes cargas como son muertas, vivas, viento y sísmica.
3.6.6.3.1 Análisis con cargas muertas
Las cargas muertas están en el eje Y, las reacciones: Cargas muertas
Fig. 3.16.- Análisis de Cargas Muertas
Para obtener las reacciones en los apoyos de esta estructura estáticamente indeterminada con la ayuda de un Programa Especializado en Calculo Estructural procedemos a calcular las reacciones en los apoyos A y B (Ver figura 3.14)
Fig. 3.17.-Reacciones con Carga Muerta
Con la ayuda del Método de los nodos procedemos a analizar los esfuerzos en cada barra de la estructura NODO 1
NODO 2
Como nos podemos dar cuenta la estructura de la Torre de Soporte es simétrica en dimensiones y en cargas muertas por lo tanto procedemos a calcular solo los nodos de la parte izquierda y los de la derecha serán iguales.
NODO 3
NODO 5
NODO 7
NODO 9
NODO 13
NODO 11
Tabla. 3.16.-Esfurzos en barras por carga muerta
3.6.6.3.2 Análisis con Cargas de Viento
Las Cargas de viento presentes en cada nodo es Pv =
. Obtenemos las
componentes (Pv x) y (Pv y), tomando en cuenta que las cargas de viento afectan perpendicularmente a superficie de la estructura, como se puede observar en la siguiente figura Fig. 3.18.-Componentes de la Carga de viento
Fig. 3.19.- Análisis de cargas de viento
Para las cargas de viento al igual que en el caso anterior obtenemos las reacciones en los apoyos con un programa especializado.
Fig. 3.20.-Reacciones con carga de Viento
Por el método de Nodos estructura
NODO 1
NODO 2
NODO 3
NODO 4
realizamos el análisis de esfuerzos en cada barra de la
NODO 5
NODO 6
NODO 7
NODO 8
NODO 9
NODO 10
NODO 13
NODO 11
En el siguiente cuadro se muestran las cargas en cada barra producidas por la carga de viento.
Tabla. 3.17.-Esfuerzos en barras por cargas de viento
3.6.6.3.3 Análisis con Cargas de Sismos
Las cargas de sismos se presentan horizontalmente en cada nodo de la superficie de la estructura. El valor de la Carga Sísmica
= 0.315 KN
Calculamos las reacciones en los apoyos con un programa especializado
Fig. 3.21.-Reacciones con carga sísmica
Para el cálculo de las tenciones en cada barra utilizamos el procedimiento de nodos anterior (Ver tema 3.10.3.3), que se utilizo para el análisis de fuerzas por viento, reemplazamos (Pv x) por (Fs.), y la fuerza (Pv y) se anula. Los resultados obtenidos se presentan a continuación:
Tabla. 3.18.- Esfuerzos en barras por cargas de sismos
3.6.6.3.4 Análisis con Carga Vivas
Las cargas vivas son las producidas por el uso de las personas en la estructura, en nuestro caso son producidas por el peso de estas al estar suspendidas al cable carril, al ser transportadas en la cabina.
Las componentes de las fuerzas que actúan sobre la torre son:
;
Fig. 3.22.-Análisis de cargas vivas
Calculamos las reacciones en los apoyos de la Torre con la ayuda de un programa especializado Fig. 3.23.-Reacciones con carga viva
Al igual que en analisis de cargas sismicas (Ver tema 3.10.3.3) vamos a utilizar el procedimiento de calculo en cada nodo para calcular las cargas vivas que en resumen se presentan a continuacion:
Tabla. 3.19.-Esfuerzos en barras por cargas vivas
3.6.7 CALCULO ESTRUCTURAL DE LA TORRE DE SOPORTE
Para simplificar el cálculo y elección de los perfiles más adecuados que se utilizaran en la construcción de la torre o soporte de línea se realizara en el programa Excel el cual facilita las iteraciones.
3.6.7.1 Combinacion de Carga Maxima.
Cuando se diseñan las estructuras de acero con perfiles laminados se deben estudiar las siguientes combinaciones básicas:
Tabla. 3.20.-Combinaciones de carga D D+L D+W D+0.7E D+L+W D+L+0.7E
FUENTE: URIBE, Jairo, Análisis de Estructuras, Editorial Escuela de Ingeniería de Colombia, pág. 49
En donde: D es la carga muerta, L carga viva, W son las cargas de viento, E las causadas por el sismo de diseño.
A continuación se muestran las combinaciones de cargas analizadas que se presenta en el diseño de la Torre de Soporte.
Se escoge la combinación D+L+W por ser la presenta valores más altos de esfuerzos en las barras de la Torre de Soporte
Tabla. 3.21.-Tabla de combinaciones de cargas
Una vez que tenemos la combinación de cargas que tiene valores más elevados procedemos a escoger los perfiles más adecuados para cada barra en base de la carga a la cual está sometida.
Las formulas que se describen a continuación se usan en el Programa de Iteración realizado en Excel (Ver archivo Cd adjunto).
Formulas Utilizadas: En el Área Calculada se utiliza:
Donde
. Esfuerzo admisible en tensión según la norma AISC
Fy = 250Mpa o 15000
. Limite de fluencia
Las columnas Perfil Angulo, Área Real e Inercia se las obtienen del catalogo de la Empresa IPAC. Ver ANEXO 10.
El Radio de Giro utilizamos la formula
Donde I = Menor Inercia en X o Y A = Área real.
La relación Cc se obtiene de
Donde E = 200Gpa. Modulo de elasticidad
Fy = Limite de fluencia
La Relación de Esbeltez
Donde K = 0.65 L = Longitud r = Radio de giro
Para el cálculo de la Carga Real se toman las siguientes consideraciones:
Si la barra está sometida a tracción:
Si
se utiliza la formula parabólica
Si
se utiliza la formula de Euler Modificada
Para que la iteración en el programa EXCEL de la conclusión de ACEPTADO tiene que cumplir con la relación
Tabla. 3.22.-Tabla de selección de perfil
FUENTE: El autor (Ver archivo Iteraciones en CD adjunto)
En el siguiente grafico se muestra los perfiles calculados a utilizarse en la Torre de Soporte en base a los resultados obtenidos de la Tabla 3.22, los cuales están dispuestos de la siguiente manera
Fig. 3.24.-Torre de Soporte con Perfiles calculados
3.6.8 CALCULO DE LA PLACA BASE
La Placa Base va soldada al ángulo inferior de cada pata de la Torre de Soporte, esta Placa base a su vez es anclada a la cimentación por medio de pernos.
Para realizar el cálculo de la Placa Base tomamos
las reacciones en la
articulación de la Torre de Soporte para una combinación de carga (viva + muerta + viento). De las reacciones tomamos la que mayor valor de carga presenta
Por lo tanto los datos a considerar son los siguientes Carga axial 3.07 KN
Deberá soportar un perfil de ángulo 100 x 100 x 18 mm con una longitud de 3.069 m Se usara plancha negra A36 con un esfuerzo de fluencia ultimo Fy = 250 MPa.
Se considera Concreto de resistencia media (Fc) con una resistencia última de 28 MPa. Las dimensiones de la zapata es de 40 x 40 cm
El Área requerida para la placa base se calcula a continuación: Suponiendo que el área del concreto de soporte es mucho más grande que el área de la placa de manera que
El área dos (A2) no debe de ser menor que la profundidad de la columna (bc) multiplicada por el ancho del perfil (d) en este caso el ángulo.
Revisamos
La placa base debe ser por lo menos tan grande como la columna
Como el valor de A1placa es bastante menor que A1, tomamos el valor de seguir con los cálculos.
Optimizamos las dimensiones de la placa base
Calculamos el largo de la placa (N)
para
Calculamos el ancho de la placa (B)
El valor del ancho B de la placa es muy bajo por lo que imponemos que sea igual al largo N, ósea que las dimensiones de la placa base es de 0.25 x 0.25 m Seguimos con el cálculo del espesor (e) requerido por la placa base
El valor del espesor de la placa base lo tomamos de 12.7 mm (1/2 in) por razones comerciales. La placa base a utilizar es de 250 x 250 x 12.7 mm
3.6.8.1 Pernos de anclaje
Para determinar los pernos que usaremos para empernar la placa a la cimentación usamos el siguiente procedimiento.
El área requerida para el perno de anclaje se determina por el siguiente procedimiento
Donde (Fy) Resistencia mínima de tensión para perno clase 8.8 (carbón medio)
Donde (P) Es la mayor carga por reacción en uno de los perfiles
Dividimos el área requerida para cuatro pernos que en nuestro caso se implementara y nos da un área para cada perno de 2.13E-6 m2
Usamos cuatro pernos con número de clase igual a 8.8 (carbono medio) de 13 mm de diámetro. Por factores de seguridad adicionales se tomara un diámetro de 1 pulgada para los pernos de anclaje.
3.6.9
ANÁLISIS DE LA TORRE DE SOPORTE EN PROGRAMA
ESPECIALIZADO
Para verificar los resultados se analizo la estructura de la Torre de Soporte en un programa especializado en Calculo Estructural.
Primero analizamos la Torre de Soporte ya esta implementada en la Central Hidroeléctrica para determinar si utilizaremos o no la misma cuando se proceda con el readecuamiento del Teleférico Bicable de Vaivén, las dimensiones se muestran en la tabla 3.15, el perfil con la cual está construida es de ángulo de 76 x 76 x6 mm.
Se realizo el análisis con acero estructural A36, los valores de las cargas muertas, vivas, de viento y sísmicas son las ya calculadas anteriormente (ver tema 3.10).
La combinación de cargas utilizadas es la suma de cargas MUERTA+VIVA+VIENTO, que es la de mayor valor.
Fig. 3.25 Análisis Torre de soporte con ángulo de 76 x 76 x6 mm
Como podemos observar en la figura 3,22 las barras que están de color verde soportan sin problemas los esfuerzos a las que están sometidas. Las barras de color rojo y que se acercan al valor de 1 en la escala de colores son las que colapsan, teniendo en cuenta que para que una barra este bien diseñada debe encontrarse entre los valores de 0.9 y 0.99, razón por la cual desechamos la reutilización de esta Torre de Soporte con los perfiles analizados para el nuevo diseño.
Ahora en el mismo programa procedemos realizar el diseño de la Torre de Soporte con nuevos perfiles y en 3 dimensiones para obtener un análisis más real, que cumplan las solicitaciones de carga a las cuales están sometidas. Se analiza con las mismas cargas y combinación de cargas para el análisis de la anterior figura 3.22.
Fig. 3.26 Diseño de Torre de Soporte
Como se observa en la figura 3.22 todas las barras soportan adecuadamente la combinación de carga MUERTA+VIVA+VIENTO, presentando un color rojizo pero por debajo de la escala 1, lo que significa que los perfiles utilizados en este diseño se deben utilizar para la construcción de la Torre de Soporte. Entonces procedemos a elegir este diseño para su construcción e implementación.
Los perfiles a utilizar se detallan en la figura 3.23, teniendo en cuenta que la barra 1-3 y 2-4 se conforman de dos ángulos de 100x100x9 unidos como se muestra en la figura 3.24, ya que este perfil con estas medidas no se encuentra en el mercado.
Fig. 3.27 Perfiles adecuados para Torre de Soporte
Fig. 3.28 Angulo L100x100x18
A continuación presentamos los diagramas de Esfuerzos Axiales en cada barra de la Torre de Soporte Fig. 3.29 Diagrama de fuerzas axiales de Torre de Soporte
En la figura 3.21 se muestran los diagramas de Esfuerzos de Torsión que se presentan en la Torre de Soporte.
Fig. 3.30 Diagramas de Torsión de Torre de Soporte
3.7 DISEÑO DE CABINA
Para realizar el diseño la cabina se tiene que considerar los siguientes datos (Ver tema 2.5.5):
-
Capacidad para cuatro personas
-
Se considera un peso de 80Kg por persona teniendo un total de 320Kg
-
La superficie en el suelo por viajero es 0.5 m2, para cuatro personas tenemos 1 m2. Con un espacio de salida de 0.90 m
-
La capacidad según la anchura mínima por persona disponible en las sillas es 0.5 m, con lo que tenemos un ancho de la cabina de 1m.
-
La altura de la cabina en base de que no se transportaran personas paradas se establece en 1.70 m.
-
La altura mínima de las ventanas no superará en 0,35 metros la de los asientos, ósea esta altura será de 0.85 m, teniendo asientos de 0.50m Fig. 3.31 Diseño de la Cabina
3.7.1 DIMENSIONES DE LA CABINA
Fig. 3.32 Dimensiones de la Cabina
3.7.2 DISEÑO DEL PISO DE LA CABINA
El piso de la cabina debe soportar el peso de las cuatro personas a ser transportadas que sería la carga viva, además el peso propio de los materiales a ser utilizados (carga muerta).
La carga viva es de 320 Kg, con un peso de cada persona de 80Kg, por lo tanto la carga
La carga muerta será la suma del peso de la Plancha antideslizante de aluminio para el piso, peso de los perfiles empleados en el piso.
Fig. 3.33 Esquema del piso de la cabina
La carga muerta es
La única Combinación de Cargas en el piso de la cabina es Cm + Cv
Calculamos el área tributaria del piso de la cabina
La carga que soporta cada perfil es
Dividido para la longitud de la cabina
El momento resultante en cada perfil es
Para la mayoría de casos de apoyos lateral se usa la fórmula para la Flexión AISC. Fy = 250Mpa =
,
Donde: (I) inercia (c) Distancia más lejana de la sección. (s) Modulo elástico de la sección
Escogemos un tubo cuadrado de 38 mm (1.5 in) de lado, 2 mm de espesor, la inercia de 5.48 cm4, distancia c que es la mitad del lado del tubo 19 mm. El peso lineal de este tubo es 1.77 Kg/m (Ver anexo 11) Realizamos la comparación:
Como podemos observar el modulo elástico de la sección escogida es mucho mayor a la calculada por lo que estaría sobredimensionada. Pero mantenemos el uso de este perfil por razones estéticas y de seguridad del piso de la cabina, lo cual no daría un factor de seguridad de 11.
El peso de la estructura para el piso de cabina es:
El peso total del piso de la cabina
3.7.3 CALCULO ESTRUCTURAL DE LA CUBIERTA DE LA CABINA.
La estructura de la cubierta de la cabina soporta la carga viva de las 4 personas que es de 320 Kg. La carga viva por metro cuadrado es:
El área tributaria es es
(Ver pág. 118). La carga puntual producida por carga viva
3.7.3.1 Calculo de la carga muerta para estructura de la cabina
La carga muerta está dada por el Peso del piso más el peso de la cubierta más el peso del vidrio de las ventanas de la cabina más la carga del piso de la cabina
La cubierta de la cabina será de plancha de Aluminio de 2mm su área total es:
Fig. 3.34 Áreas de cubierta de aluminio de cabina
El volumen de la plancha para la cubierta es
Finalmente el peso de la plancha de aluminio
El área del vidrio para ventanas que se utilizara en la cabina se calculas con las siguientes áreas. Fig. 3.35 Áreas de vidrios para ventanas de cabina
El volumen del vidrio se calcula a continuación con un espesor de 3 mm.
La densidad del vidrio para ventanas es de 2700 Kg/m3 (Ver anexo 12). El peso del vidrio que se ocupara en las ventanas de la cabina se calcula a continuación:
La Suma de los pesos antes mencionados para luego calcular la carga muerta
La carga muerta por metro cuadrado es:
El área tributaria es muerta es:
(Ver tema 3.7). La carga puntual producida por carga
La combinación de cargas para la estructura de la cabina está dada por
3.7.3.2 ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA DE LA CABINA
Se analizara la estructura de la cabina en un programa especializado de Calculo Estructural, con un perfil de tubo cuadrado de 38 mm (1.5 in) de lado, 3 mm de espesor.
Como podemos observar en la figura 3.33 el perfil escogido resiste adecuadamente a las cargas aplicadas por la combinación vivas + muertas.
Aunque se encuentre sobredimensionada la estructura escogemos este perfil tubo cuadrado de (38x38x3mm) debido a la estética, seguridad y construcción de la Cabina de pasajeros.
Fig. 3.36.-Analisis de Estructural de la Cabina
El diagrama de Fuerzas Axiales en la Cabina de Pasajeros
Fig. 3.37.- Diagrama de Fuerzas Axiales
Diagrama de Torsión
Fig. 3.38.- Diagrama de Torsión.
El peso de la estructura empleando tubo cuadrado de (38x38x2mm) con un peso lineal de tubo 3.3 Kg/m (Ver anexo 11) se da a continuación.
La longitud total se la emplea sumando todas las longitudes de tubo de la estructura (Ver figura 3.29)
El peso total de la cabina se obtiene sumando el peso del piso más el peso de la estructura más el peso de la cubierta más el peso de los 4 pasajeros que se calculo anteriormente.
3.8 DISEÑO DEL BRAZO DE SUJECIÓN DE LA CABINA
3.8.1 DISEÑO DEL BRAZO
Denominamos como brazo a la parte que sujeta la cabina con el mecanismo de poleas o tren de rodadura. Para su cálculo tomamos una longitud de 0.4 metros y está sujeto al peso que produce la cabina y a cargas repentinas o golpes que pueden producirse en el interior de la cabina.
Fig. 3.39 Esquema del brazo de sujeción de cabina
El peso total de la cabina es 503.38 Kg = 4.938 KN. Para el valor de cargas por cargas repentinas (golpes) tomaremos el 30% del peso de la cabina, ósea que el cálculo de este brazo se realizara con 650 Kg = 6376.5 N
Para calcular el área requerida se utiliza:
Donde
. Esfuerzo admisible en tensión según la norma AISC (Fy) 250Mpa o 15000
. Limite de fluencia
Escogemos un perfil de Correas dobles unidas en las aletas con una altura de 60 mm x 60 mm de ancho y 3 mm de espesor de pared del perfil, con una área de 7.22 cm2, que es mayor a la área calculada.
Análisis en programa especializado de Calculo Estructural del Brazo de soporte, vemos que el perfil escogido es el adecuado.
Fig. 3.40.- Análisis del Brazo de sujeción de la Cabina
3.8.2 TREN DE RODADURA
Consiste en un carretón de dos ruedas en cuyo centro va suspendida la cabina. En conjunto consta de dos ruedas montadas sobre rodamientos, en un bastidor muy sencillo que dispone de dos ejes de rodadura.
En dicho bastidor va también dispuesto el mecanismo que acciona la pinza de fijación al cable tractor.
Fig. 3.41.-Tren de rodadura
3.8.3 DIÁMETRO DE LAS POLEAS PARA EL TREN DE RODADURA.
El tren de rodadura tiene que deslizarse en el cable carril y para determinar el diámetro de las poleas se lo realiza en base del diámetro del cable carril que es de 45 mm y se determina las dimensiones normalizadas de poleas (Ver Tabla 3.1)
Tabla. 3.23.-Dimenciones de las Poleas para Cable de Acero
Denominación
Sufijo Dimensiones
Diámetro exterior
(de)
250 mm
Ancho de polea
(a)
95 mm
Profundidad de canal
(h)
55 mm
Diámetro para el eje
(d1)
100 mm
Diámetro interior
(d1)
100 mm
FUENTE: Maquinas Herramientas. Larburu Nicolás. Tabla 4.9. pág. 306
3.8.4 SISTEMA DE FRENO
El sistema de Freno es un dispositivo de seguridad que deben ser implementados en todos los sistemas de transporte aéreo de personas para que actúen en caso de rotura del cable motriz del teleférico. En la actualidad existen gran variedad de sistemas de frenos que se han ido desarrollando tecnológicamente
para su utilización
principalmente en ascensores y grúas.
En nuestro teleférico Bicable de Vaivén implementaremos el mecanismo de freno denominado Zapatas de Rodillo de ejes excéntricos. 14
14
LASHERAS, José M, Ascensores y escaleras mecánicas, Editorial Cedel, primera edición, pág.228
Fig. 3.42.-Zapatas de rodillos excéntricos
El rodillo tiene un eje descentrado (Fig. 3.39) que al girar obligados por el roce con la guía (en este caso cable carril) se encajan entre su propio eje y la guía hasta detener el descenso de la cabina. Este sistema produce un frenado lento y uniforme lo cual es recomendable para evitar golpes en los pasajeros de la cabina.
Cuando el dispositivo haya entrado en acción la cabina se detendrá, una vez colocado nuevamente el cable motriz bastara con retroceder levemente la cabina para que el freno se desenganche y continúen con el normal funcionamiento de la instalación. Fig. 3.43.- Esquema de Sistema Freno de Rodillos
3.9 SISTEMA ELECTRICO
Uno de los problemas del transportador Aéreo que está siendo utilizado en la actualidad es el sistema eléctrico ya que solo cuenta con el sistema de mandos en la estación de llegada y en la estación de llegada no existe ningún mando.
A continuación se presenta un esquema del circuito eléctrico de 2 mandos para inversión de giro del motoreductor, con señalización luminosa y detención automática de la cabina de pasajeros por medio de sensores que estarán en la estación de salida y llegada. Tenemos el diseño de los circuitos de mando y de fuerza.
3.9.1 DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO DE MANDO
En este circuito tenemos la inversión de giro mediante dos pulsadores, El pulsador de salida se ubicara en la estación de salida del Teleférico Bicable de vaivén y el pulsador de llegada en la estación de llegada. Fig. 3.44.-Circuito eléctrico de mando
Al pulsar el interruptor normalmente abierto P salida se activa la bobina k1, cerrando los contactores normalmente abiertos k1 que está conectado en paralelo y abriendo el contactor normalmente cerrado k1 que está conectado en serie con la bobina
k2, también cierra el contactor cerrado k1 que está en serie con el foco verde prendiéndolo y a la vez activando el motor en sentido horario produciendo que la cabina suba.
Cuando la cabina está en la estación de llegada activa un fin carrera normalmente cerrado (S llegada) este a su vez desconecta la bobina k1 y desactiva el motor. Cuando activamos el interruptor normalmente abierto (P llegada) se activa la bobina k2 cerrando el contactor normalmente abierto k2 que está en paralelo y abriendo el contactor k2 que está conectado en serie con la bobina k1, también cierra el contactor abierto k2 que está en serie con el foco rojo activándolo y permitiendo la inversión de giro del motor en sentido anti horario produciendo que la cabina realice la bajada.
Lo que hay que recalcar es que mientras se pulsa P salida o P llegada y está funcionando el motor en un sentido, el otro pulsante no se puede activar porque k1o k2 está abierto. También existe Un pulsador de emergencia que corta toda la energía del circuito.
3.9.2 DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO DE FUERZA
El circuito de fuerza es el que ira conectado al motorreductor, conectamos las fases L, R y S a unos fusibles para la protección del circuito y luego cada fase a contactores abiertos k2 y estos conectados en paralelo a los contactores normalmente abiertos k1. Los contactores k2 están conectados R-U, T-V, Y S-W para el funcionamiento del motor en sentido horario, mientras que los contactores k1 están conectados R-U, S-V, y T-W para cambiar el giro del motor a anti horario.
Fig. 3.45.-Circuito eléctrico de fuerza
3.10 CONSIDERACIONES DE MANTENIMIENTO
3.10.1 INTRODUCCIÓN
En el proyecto actual denominado Teleférico Bicable de Vaivén, el Mantenimiento Predictivo de los componentes es esencial para evitar accidentes y fallas en el uso de este medio de transporte
Tanto la instalación propiamente dicha como los elementos y accesorios se conservarán en perfecto estado de limpieza para facilitar su vigilancia y, en consecuencia, garantizar la seguridad del servicio.
Fig. 3.46.-Teleferico Bicable de Vaivén
También debe existir al menos una persona encargada de la instalación para que realice las tareas de comprobación y mantenimiento de estos equipos, esta persona debe ser calificada y con formación suficiente.
3.10.2 NORMAS GENERALES DE MANTENIMIENTO.15
Aislar las instalaciones y zona de trabajo del resto de personal, tanto con medios de señalización como con letreros.
Desconectar el interruptor principal de energía eléctrica, bloquear el acceso a extraños de los mandos
La instalación del teleférico llevara un libro de registro en el que se anoten fechas, revisión y averías
3.10.3 RESUMEN DE PARTICIPACIÓN DEL ENCARGADO
Revisión diaria visual de elementos sometidos a esfuerzo.
15
LASHERAS, José M, Ascensores y escaleras mecánicas, Editorial Cedel, primera edición, pág.664
Comprobación diaria de los frenos.
Observación diaria de carencia de anormalidades en el funcionamiento de la máquina.
Deberá vigilar que no exista exceso de pasajeros o carga en la cabina de pasajeros.
3.10.4 REVISIÓN DE LAS INSTALACIONES
1. Diarias: Diariamente y antes de iniciarse el servicio, el Encargado, hará un recorrido en la propia instalación para asegurarse de que su funcionamiento es normal, y muy especialmente del correcto estado de línea, frenos, cables, cabina.
Asimismo, cuando las áreas de embarque y desembarque se vean afectadas por fenómenos meteorológicos deberá comprobarse que se cumplen las condiciones mínimas de seguridad en relación con los usuarios de la instalación y, en caso contrario, adoptar las medidas precisas para que se cumplan.
Cuando se hayan producido fenómenos meteorológicos particularmente intensos, como heladas, vientos fuertes, tormentas, etc., estando la instalación fuera de servicio y exista la posibilidad de que haya resultado dañada, el recorrido previo antes citado deberá estar precedido de una inspección completa. Se procederá de la misma forma después de toda interrupción motivada por un accidente que, por su naturaleza, hubiera podido afectar a la instalación.
2. Semanales o mensuales: Además de las revisiones diarias señaladas en el punto anterior, deberán realizarse, con periodicidad semanal y mensual, una de carácter similar pero más detallado y otras complementarias.
3. Anuales: Al menos una vez al año se efectuará un reconocimiento de la instalación del que se levantará el informe o acta correspondiente que será entregada a la Administración. El Administrador, después de escuchar al Encargado, podrá asesorarse por un técnico o por un organismo.
3.10.5 LIBRO DE REGISTRO En el libro de registro se anotaran todas las incidencias, comentarios, averías, accidentes y mantenimiento realizado en el teleférico.
A continuación se muestra el formato de la hoja de revisiones de la instalación, en la cual la persona encargada debe llenar para tener un registro.
TELEFERICO BICABLE DE VAIVEN Hoja # CENTRAL HIDROELÉCTRICA “ING. CARLOS MORA CARRIÓN”
HOJA DE REVICION
Capacidad (personas)
4
Carga Nominal
500Kg
Velocidad
2 m/s
Recorrido
360 m
Fecha de instalación
Fecha actual
Fecha última revisión
Fecha actual revisión
Nombre del Encargado
#
Elemento
1
Torre de Soporte
Verificar Estado de perfiles Desgaste de polea de cable carril y motriz Apriete de pernos y acoples Pintura
2
Sistema Motriz
Cable enrollado correctamente sobre canales de tambor Funcionamiento del motorreductor Estado del Acople de mandíbula y chumaceras Estado de la estructura del sistema motriz Lubricación y vibración de componentes Pintura
3
Tren de rodadura
Desgaste de las poleas Apriete de pernos y tuercas Estado de Bases Pintura
4
Brazo de Soporte
Estado de perfiles Apriete de pernos y tuercas soldaduras Pintura
5
Cabina de Pasajeros
Estado de perfiles Estado de cubiertas y protectores
Resultado Pos
Neg.
Apriete de pernos y remaches Pintura Estado de las cimentaciones
67
Cimentaciones
8
Cable Carril
Pintura Alambres cortados, quebrándose, desgaste Presencia de corrosión (oxido) Estado de grilletes y anclaje Lubricación
9
Cable Motriz
Alambres cortados, quebrándose, desgaste Presencia de corrosión (oxido) Estado de grilletes y anclaje Lubricación
10
Sistema de freno
Posición del sistema de frenos Desgaste o juegos anormales Apriete de pernos y tuercas
Referencia
Informe relativo a los puntos no satisfactorios Acción Propuesta Reparación - sustitución
Plazo corrección
De acuerdo con el presente reconocimiento Teleférico queda en funcionamiento normal Teleférico queda fuera de servicio Se solicita inspección de Técnico Especializado
Para llevar un registro que muestre las reparaciones, refacciones, tiempos, y repuestos, que se realizaran en la instalación del teleférico se presenta un formato de registro histórico.
TELEFERICO BICABLE DE VAIVEN Hoja # CENTRAL HIDROELÉCTRICA “ING. CARLOS MORA CARRIÓN”
HOJA DE REGISTRO HISTORICO
Capacidad (personas)
4
Carga Nominal
500Kg
Velocidad
2 m/s
Recorrido
360 m
Nombre del Encargado
Fecha
Descripción Medidas
Pos
Horas Prog Real
Referencia comercial
Los formatos de las hojas de revisión y de registro histórico propuestas pueden ser modificados una vez construido el Teleférico, ya que pueden presentarse cambios en la construcción.