TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN TELEFÉRICO ECO-TURISTICO PARA LA POBLACIÓN DE SAN PEDRO DE LOS ALTOS, ESTADO MIRANDA
Presentado ante la ilustre Universidad Central de Venezuela Por el Br. Briceño M, Carlos M. Para optar al título de Ingeniero Mecánico
Caracas, 2007
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN TELEFÉRICO ECO-TURISTICO PARA LA POBLACIÓN DE SAN PEDRO DE LOS ALTOS, ESTADO MIRANDA
TUTOR ACADÉMICO: Prof. José Manuel Gómez TUTOR INDUSTRIAL: Ing. Juan A. Seijas
Presentado ante la ilustre Universidad Central de Venezuela Por el Br. Briceño M, Carlos M. Para optar al título de Ingeniero Mecánico
Caracas, 2007 ii
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DEDICATORIA
Para todos los que amo… …y en especial a los que ya no están con nosotros.
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AGRADECIMIENTOS Primeramente a Dios, por quien existo y por quien todo es posible. A la Universidad Central de Venezuela por ser mi formadora como ingeniero. Al Ing. José M. Gómez por brindarme su experiencia, su confianza y su amistad, sumamente importantes para la realización de este proyecto. Al Ing. Juan Alberto Seijas, por haber confiado en mí el primer paso de su sueño. A mi esposa, Mariolga, quien da sentido a mi vida y su apoyo me dio fuerzas para realizar este trabajo. A mis padres Frank y Giannina, quienes con amor generoso me han formado y han apoyado mis planes y decisiones. A Marianella por sus sacrificios, sus trasnochos y su amor, fundamentales para culminar este trabajo. A mi amigo Carlos por brindarme su amistad y su fraternal cariño. A todas aquellas personas que laboran en la planta Minalba en San Pedro de los Altos y que, de alguna u otra forma, colaboraron en este proyecto, en especial al Ing. Bustamante por su ayuda y su apoyo. Al Dr. Martin Schoffel, al personal de Ávila Mágica y a todos los que aportaron información para este trabajo. A mi hermano Frank, su esposa Gabriela y mis amigos Daniel, Andrés, Héctor, Sofía y Jorge por brindarme su apoyo.
Sinceramente, gracias a todos…
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Briceño M., Carlos M.
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN TELEFÉRICO ECO-TURISTICO PARA LA POBLACIÓN DE SAN PEDRO DE LOS ALTOS, ESTADO MIRANDA RESUMEN TUTOR ACADÉMICO: Prof. José Manuel Gómez. TUTOR INDUSTRIAL: Ing. Juan A. Seijas Tesis. Caracas, U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica, 2006. 76 páginas. TELEFÉRICO, ECO-TURISMO, FACTIBILIDAD TÉCNICA La Planta Minalba de Empresas Polar dedicada a la producción de agua mineral, ubicada en San Pedro de los Altos, Estado Miranda, solicitó la realización de un estudio de factibilidad técnica para la instalación de un teleférico eco-turístico, que atraviese los bosques existentes y futuros, contribuyendo a elevar la calidad de vida de los habitantes y al desarrollo turístico de la zona. Se realizó un estudio geográfico con recursos y data preexistentes, con la ayuda de programas computacionales y aerofotografías de Cartografía Nacional, planos topográficos y de vegetación, en formato digital. El estudio de factibilidad técnica comprende la selección de la ruta, del tipo de sistema teleférico, tipos de cables, torres de soporte, estaciones, cabinas, entre otros. Para la selección de la ruta se utilizó una matriz de evaluación, resultando la estación superior en “La Loma de Eusebio” y la inferior en la cuenca del Río San Pedro, en un área que permite la instalación de infraestructura necesaria. Se seleccionó un sistema de circulación continua con cable portante-trayente. El levantamiento del perfil de la línea permitió definir la altura de las torres de soporte en 15 metros, excepto en casos especiales, resultando 15 torres de soporte para todo el recorrido, proponiéndose una cantidad de 20 cabinas. Al estimar la carga total se seleccionó el cable portante tractor “6x36 WS compactado” comprobándose que soporta las cargas a las que será sometido. La velocidad de operación propuesta permite el embarque y desembarque de los usuarios sin necesidad de realizar paradas en el sistema. Se elaboró una representación gráfica del sistema propuesto, recomendándose la realización de estudios de suelo y de factibilidad económica, la utilización de cabinas abiertas y la reconstrucción de la vegetación afectada durante la ejecución del proyecto, el cual deberá ser abordado por un equipo interdisciplinario.
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INDICE ACTA
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DEDICATORIA
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AGRADECIMIENTOS
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RESUMEN
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INDICE
viii
INDICE DE TABLAS Y FIGURAS
ix
INTRODUCCIÓN
1
CAPÍTULO I
3
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3
Planteamiento del problema
3
Objetivo General
5
Objetivos Específicos
5
Alcances
6
Limitaciones
6
CAPITULO II
7
MARCO REFERENCIAL
7
Teleféricos
7
Breves históricos
8
Teleféricos en Venezuela
9
Otros Teleféricos de interés para el proyecto
10
Aspectos Técnicos
11
Clasificación de los teleféricos
22
Normativas y sugerencias para la planificación, diseño y construcción de teleféricos
24
Planificación de la línea
25
Catenarias
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CAPITULO III
29
METODOLOGÍAY RESULTADOS
29
Estudio geográfico
29 vii
Elaboración de propuestas
32
Selección de la mejor propuesta
35
Selección del tipo de sistema teleférico a emplear
36
Levantamiento del perfil de la línea
37
Selección del cable
40
Cálculo de la tensión en el cable
43
Comprobación de la selección del cable
48
Trazado de las catenarias en el plano del perfil
49
Capacidad de transporte
51
CAPITULO IV
54
ANALISIS DE RESULTADOS
54
CONCLUSIONES
58
RECOMENDACIONES
59
BIBLIOGRAFÍA
60
APÉNDICES
62
1. Plano topográfico con rutas propuestas
63
2. Plano de vegetación con rutas propuestas
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3. Plano de levantamiento del perfil del teleférico
65
4. Cuadro para la selección del cable según el tipo de teleférico.
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5. Tabla de cargas mínimas de rotura y características del cable 6x36WS compactado
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INDICE DE TABLAS Y FIGURAS FIGURAS Figura 2.1
Composición de los cables
13
Figura 2.2
Máquina de trenzado
14
Figura 2.3
Máquina de trenzado
15
Figura 2.4
Trenzas tipo estándar
17
Figura 2.5
Trenzas tipo Seale
17
Figura 2.6
Trenzas tipo Warrington
17
Figura 2.7
Trenzas tipo Filler Wire
18
Figura 2.8
Trenzas tipo Warrington-Seale
18
Figura 2.9
Trenzas compactadas
19
Figura 2.10
Diferentes tipos de torres de soporte
20
Figura 2.11
Curva catenaria
28
Figura 3.1
Puntos de interés marcados con GPS
30
Figura 3.2
Puntos de interés localizados en Google Earth
31
Figura 3.3
Aerofotografía con las propuestas de ruta
34
Figura 3.4
Casos para el cálculo de la tensión en el cable
45
Tabla 2.1
Propiedades químicas y mecánicas de los cables
16
Tabla 3.1
Matriz de evaluación para la selección de la ruta
36
Tabla 3.2
Características de la línea
39
Tabla 3.3
Primeras estimaciones y cálculos de cargas
40
Tabla 3.5
Ecuaciones que definen los valores de las fuerzas
44
Tabla 3.6
Valores de las componentes de fuerza
46
Tabla 3.7
Valores de tensión en la línea
47
Tabla 3.8
Valores de tensión en la línea ajustados
47
Tabla 3.9
Deflexiones máximas debido al peso del cable
49
Tabla 3.10
Deflexiones máximas debido a las cargas
50
TABLAS
ix
INTRODUCCIÓN En Venezuela crece, cada día más, la conciencia sobre la responsabilidad social que tienen las empresas, tanto privadas como públicas, de modo que cada sector aporte beneficios para la comunidad a fin de mejorar la calidad de vida de todos sus habitantes. Empresas Polar desarrolla una gran variedad de programas como aporte social en diversas comunidades y poblaciones en el ámbito nacional. Una de sus plantas, Minalba, dedicada a la producción de agua mineral, ubicada en San Pedro de los Altos, Estado Miranda, se ha enfocado en el desarrollo de programas y proyectos que brinden a dicha población un mejoramiento en la calidad de vida y generación de puestos de trabajo para sus habitantes. Entre los proyectos más resaltantes podemos mencionar: El cultivo de la planta Vetiver en la montaña y su posterior explotación para la elaboración de artesanía. Este proyecto, incluye el adiestramiento de los habitantes interesados en aprender el arte; la construcción y puesta en funcionamiento del Taller Móvil del Vetiver, el cual es un remolque acondicionado para la realización de cursos de artesanía y la exhibición de los trabajos realizados por los artesanos. Otro proyecto consiste en la dotación de agua potable para San Pedro de los Altos, el cual permite a los habitantes del pueblo, de manera gratuita, la adquisición de 40 lts/día/persona de agua procesada por la Planta. También se puede mencionar, la reconstrucción del parque infantil del pueblo y el cambio de letreros y señalización de las calles de San Pedro, entre otros. Todos estos proyectos ayudan tanto a elevar la calidad de vida de los habitantes como al desarrollo turístico de la zona, cambiando la imagen del poblado y creando sitios de esparcimiento para la familia. Así se puede lograr aumentar las visitas de turistas al pueblo, generando puestos de trabajo para los habitantes de la población y aumento de sus ingresos. Uno de los proyectos más grandes de la planta de San Pedro de los Altos, es el programa “Construyendo Un Techo Para Nuestra Materia Prima”, el cual contempla la 1
siembra de unos 250.000 árboles en las montañas aledañas a la población, para la creación de un bosque que ayudará a preservar los manantiales de agua de donde se toma el producto que se procesa en esa planta. Este bosque, con los años, puede ser explotado turísticamente y para ello, la empresa ha solicitado la realización del estudio de factibilidad técnica para la instalación de un teleférico eco-turístico, cuyo recorrido se realice a través de los bosques existentes y los que se van a crear. Con esto se impulsaría de manera importante el turismo en la población, lo cual se traduciría en beneficios para la comunidad de San Pedro de los Altos. Este trabajo especial de grado lleva a cabo el estudio de factibilidad técnica de dicho teleférico.
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CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Este estudio de factibilidad técnica para la instalación de un teleférico ecoturístico solicitado por la empresa Minalba, se presenta como una primera aproximación para un proyecto que es de gran envergadura. El estudio de factibilidad determinará si el proyecto que se propone es posible técnicamente y en cuáles condiciones se debe desarrollar para que sea exitoso, de tal forma que contribuya con la conservación, protección y restauración de los recursos naturales y el ambiente. Factibilidad es el grado en que lograr algo es posible o las posibilidades que tiene de lograrse. Iniciar un proyecto de producción o fortalecerlo significa invertir tanto recursos humanos y otros, tales como: tiempo, dinero, materia prima y equipos. Como los recursos siempre son limitados, es necesario tomar la decisión óptima, sobre la base de evidencias y cálculos correctos, de manera que se tenga mucha seguridad de que el proyecto se desarrollará correctamente.
Planteamiento del problema San Pedro de los Altos se encuentra en la zona montañosa de los altos Mirandinos. Estas montañas poseen una gran cantidad de manantiales naturales los cuales nutren la flora y fauna, formando pequeños bosques localizados en estas nacientes de ríos. Con base en la experiencia de proyectos ecológicos llevados a cabo y en funcionamiento en otros países, la empresa Minalba requiere realizar un estudio de factibilidad técnica para la construcción de un teleférico eco-turístico, lo que se traduciría en creación de fuentes de trabajo para los habitantes de la zona, y redundaría en mejora de su calidad de vida.
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La ruta de este Teleférico debe ser planificada para atravesar zonas boscosas y zonas sin bosques en la actualidad, que en un futuro serán reforestadas con el proyecto de forestación de la planta Minalba, el cual se desarrolla en zonas de la montaña en las que sólo existe pastos y arbustos, alrededor de los manantiales y que pertenecen a la empresa. La forestación ampliará estos bosques de manera que abarcará no solo los manantiales sino también las laderas y filas de las montañas aledañas a San Pedro. También esta ruta deberá ser planificada a una altura tal que pase muy cerca de las copas y/o a través de los árboles el mayor recorrido posible, para aumentar el atractivo eco-turístico del proyecto. Debido a la naturaleza del proyecto, el aspecto ambiental será parte fundamental del mismo, ya que quiere realzar la conservación de los recursos naturales y reducir el impacto ecológico que causan los proyectos de ingeniería, de este tipo, sobre los ecosistemas, para esto se aplicarán principios de Ingeniería Sustentable. La Ingeniería Sustentable es una tendencia actual que fomenta el aporte de soluciones de ingeniería para la devastación que poco a poco, y en ocasiones sin darse cuenta, el ser humano ha ocasionado en el planeta tierra. También, la Ingeniería Sustentable se enfoca en aportar soluciones para aquellas personas cuya calidad de vida es muy baja, de manera que la ingeniería sea solución para los problemas más urgentes del hombre y la sociedad. En el proyecto se tomarán en cuenta diferentes aspectos que afectan directamente al medio ambiente, entre los que resaltan los siguientes: acceso a los lugares donde se instalarán las estructuras; acceso a las instalaciones por parte de obreros y demás personas vinculadas con el proyecto; la ruta debe ser planificada de manera que la vegetación sea preservada y la poda y tala sea mínima; para así obtener un proyecto cuyo impacto ecológico sea reducido.
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Objetivo General Realizar un estudio de factibilidad técnica para la construcción de un teleférico eco-turístico en la población de San Pedro de los Altos para el desarrollo turístico del poblado, de manera que produzca el menor impacto ambiental y con el fin último de mejorar la calidad de vida de los habitantes de la zona.
Objetivos Específicos 1. Analizar las características geográficas de la zona, considerando relieve, estudios de suelo, vegetación y acceso, con base en la data preexistente. 2. Proponer diferentes rutas posibles para el Teleférico eco-turístico, analizando la información obtenida en el estudio geográfico realizado. 3. Seleccionar la ruta con menor impacto ambiental y mayor factibilidad desde el punto de vista de ingeniería para acometer la obra, haciendo un análisis comparativo de las opciones propuestas, utilizando una matriz de evaluación y calculando la longitud del recorrido. 4. Determinar la cantidad de estaciones necesarias para cubrir la ruta y las locaciones de las torres de soporte del teleférico, en función del estudio geográfico realizado. 5. Seleccionar el tipo de sistema teleférico a emplear con base en la ruta seleccionada, escogiendo entre las tecnologías disponibles. 6. Determinar las características del sistema seleccionado, especificando capacidad, velocidad, características de las guayas, gradientes de altura en todos los puntos del recorrido, cantidad de cabinas y el espaciamiento entre ellas, en función del flujo estimado de visitantes. 7. Realizar una representación gráfica del sistema propuesto, presentando la ruta seleccionada y sus estaciones.
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Alcances a. Este estudio de factibilidad se refiere únicamente al aspecto técnico, ya que la empresa se encuentra interesada en tener una base para presentar el proyecto a otras empresas tanto públicas como privadas, que puedan darle continuidad y realicen su construcción b. Se realizará en la zona geográfica aledaña a los manantiales de la Planta Minalba, desde la población de San Pedro de los Altos, hasta los linderos del Parque Nacional Macarao, en el Estado Miranda, en las condiciones actuales de forestación (enero-julio de 2006).
Limitaciones a. El análisis geográfico, estará limitado a los estudios que se hayan realizado previamente b. El diseño de las diferentes piezas, partes y equipos no está contemplado en este trabajo, así como cálculos de las obras civiles y las estructuras de las torres c. Las fuentes energéticas de donde será alimentado el sistema no forma parte del estudio d. En Venezuela no existe una normativa establecida para este tipo de transporte. Los países que cuentan con mayor experiencia en el diseño y construcción de teleféricos son, en su mayoría, del continente Europeo, por lo que la bibliografía consultada contendrá normativas internas para esos países, las cuales en muchos casos habrá que omitir o adaptar a las condiciones del proyecto
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CAPITULO II MARCO REFERENCIAL Teleféricos Los teleféricos son sistemas de transporte en los cuales uno o más vehículos van suspendidos a un cable, los cuales son halados por el mismo o por otro cable impulsado por un sistema motor localizado en una de las estaciones terminales. El transporte aéreo por dicho medio puede efectuarse en plano horizontal o inclinado. Los teleféricos poseen una ventaja muy importante frente a otros sistemas de transporte, ya que frecuentemente se utilizan para superar grandes diferencias de altitud y relieves muy accidentados. Los teleféricos tienen ciertos elementos principales los cuales dan un toque característico a estos sistemas. Estos elementos son: cables, torres de soporte, estaciones con instalaciones mecánicas, equipo motor y sistema tensor, y las cabinas suspendidas en los cables. El Ingeniero Rafael Abbate, en su artículo Telecabina de Enganche Automático (2.005), describe el funcionamiento del sistema teleférico Ávila Mágica, en Caracas, Venezuela. Esta descripción se puede generalizar como el funcionamiento básico de un teleférico. “El movimiento se origina debido a la acción de dos motores eléctricos que transmiten movimiento y potencia a una caja de engranajes llamada caja reductora, que a su vez transmite la potencia a un número de giros inferior al recibido por los motores, a una gran polea llamada polea motriz. La polea motriz transmite el movimiento al cable por efecto de fricción que se logra a través de una goma colocada en la garganta de la polea. Al moverse el cable, todas las cabinas que se encuentran unidas a el, se mueven solidariamente viajando todas a la misma velocidad, que es la velocidad del cable y conservando todas la misma distancia entre ellas.”
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Breves históricos Las cuerdas para cruzar de un lado a otro de un barranco o accidente geográfico, han sido usadas como medio de comunicación desde siglos muy tempranos, a lo largo de la historia de la humanidad. Se piensa que este método fue copiado de la naturaleza por el hombre, a medida que observaba a los monos en los bosques tropicales cruzando a través de lianas de un árbol a otro. Las primeras construcciones de teleféricos, de las que se tiene conocimiento, fueron descubiertas en el antiguo Japón. Un registro del siglo XIV llamado Taihetki, refiere el escape de un emperador japonés de su enemigo, a través de un valle, por medio de una soga que llamaban “Yen”, que quiere decir “Mono Salvaje” y en la actualidad este término significa “Teleférico Primitivo”. Se sabe también de la existencia en Brasil, Nueva Zelanda y en India de teleféricos que consistían en una cuerda fija en ambos extremos por el cual deslizaban una honda. El movimiento era generado por la misma persona montada en la cuerda con sus propias manos o bien una o más personas paradas en el otro extremo del cruce halando un cabestrillo. En Europa, durante la edad media, los teleféricos formaron parte de los trabajos de defensa de los pueblos. En una pintura medieval que data del año 1.411 realizada por Johann Hartieb, muestra una cesta suspendida en una cuerda con dos poleas, transportada hasta una fortificación impulsada por un sistema de tracción manual. Inicialmente, se empleaban cuerdas vegetales para la construcción de los teleféricos. En el año 1.825, después de muchos experimentos con alambres metálicos desde el siglo XIV, se empleó un cable de acero en la fabricación de un funicular para el transporte de materiales. No fue sino hasta el año 1.834 que se utilizaron cables de acero en un teleférico para una mina en las montañas Harz, en Alemania. A partir de allí, se desarrolló la producción rápida de cables metálicos y para 1.840 ya existían 3 compañías productoras de este tipo de cables en Suecia y Alemania.
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Los primeros teleféricos diseñados exclusivamente para transporte de pasajeros se pusieron en funcionamiento a partir del año 1.866 en Alemania, Nueva Zelanda, Estados Unidos de Norteamérica, Italia, Suiza, Austria, Argentina y Brasil. Primero se fueron desarrollando para el transporte de obreros a minas y construcciones hidroeléctricas, posteriormente se fueron utilizando también para el turismo. A medida que se desarrollaron las tecnologías, los teleféricos se han hecho cada vez más populares en todo el mundo y se emplean tanto para el transporte de materiales, como el de personas, así como para trabajo como para turismo.
Teleféricos en Venezuela El turismo venezolano ha contado desde mediados del siglo pasado, con dos impresionantes obras de la ingeniería para el esparcimiento turístico, como lo son los teleféricos de Mérida y de Caracas. El Teleférico de Mérida abrió sus puertas al público en marzo de 1.960, después de 8 años de concepción, diseño y desarrollo. Fue ideado por andinistas merideños, miembros del extinto Club Andino Venezolano en el año 1.952 con el propósito de facilitar el ascenso a la Sierra Nevada de Mérida a turistas y andinistas. En diciembre de 1.956 empezó a trazarse la ruta hacia las cumbres. El Teleférico de Mérida, en su sistema principal (destinado al servicio turístico), fue construido en Francia por 25 casas diferentes, contratadas por la famosa empresa Applevage, especialista en teleféricos. Otras compañías provenientes de países como Suiza y Alemania asumieron diversas labores: obras civiles, montaje de las estructuras metálicas, el teleférico de carga, entre otras. Con una longitud de 12,5 Km y una altura de 3.188 m para llegar hasta su última de 4 estaciones a 4.765 m.s.n.m., es el sistema teleférico más alto y largo del mundo.
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El sistema ha sido actualizado tecnológicamente para asegurar su vigencia y calidad de servicio. Los sistemas de electricidad, electrónica y mecánica han recibido el beneficio de los adelantos de la tecnología computarizada, en apoyo a un excelente diseño que se mantiene a la vanguardia dentro de los teleféricos del mundo. Por su parte, el Teleférico de Caracas, abrió sus puertas al público el 2 de diciembre de 1.955 bajo el mandato del presidente Marcos Pérez Jiménez. La construcción estuvo a cargo de la compañía alemana Heckel, bajo la dirección del Ing. Ernst Heckel. Con un recorrido de 3.400 m y una altura de 2.750 m, el sistema contaba con seis torres de 35 m de altura cada una. Con 8 cabinas o góndolas para uso público, partía desde la estación Maripérez, ubicada en la Av. Maripérez frente a la Av. Boyacá hasta la estación El Cojo en Macuto, pasando por el pico Ávila en donde se encuentra el hotel Humbolt. A mediados del año 2.000 se comenzó la reconstrucción del teleférico después de muchos años de abandono, instalándose un sistema nuevo, moderno y de mayor capacidad que el original. Las torres fueron demolidas y se instalaron 23 nuevas, así como el cable tractor de 5,4 cm de diámetro. El proceso estuvo a cargo de Inversiones Folch, Ingeniería Nacional Cocsia y técnicos de Doppelmayr. Cuenta con 74 cabinas con capacidad para 8 pasajeros y 10 cabinas VIP. El sistema tiene capacidad para 1.920 personas por hora, si su velocidad es de 4 m/s y el tiempo de recorrido es de 15 min.
Otros Teleféricos de interés para el proyecto En Costa Rica y la Isla Dominica se han desarrollado teleféricos eco-turísticos que pasan a través de los bosques lluviosos de esas localidades. En 1994, Von der Goltz abrió las puertas del Teleférico del Bosque Lluvioso Atlántico en Costa Rica, concebido para que la gente experimentara las maravillas y la complejidad del bosque lluvioso. El diseño del Teleférico tenía un solo requisito: ser construido en el medio de 486 hectáreas de selva, sin cortar ni un solo árbol. Ambos teleféricos actualmente sirven como parques de investigación y de paseos ecológicos, ofreciendo una experiencia única a sus visitantes. 10
En Panamá, el hotel Gamboa Resort, construyó como atractivo turístico un teleférico que pasa a través de un bosque lluvioso, atrayendo la atención de miles de turistas cada año para experimentar un paseo en constante contacto con la naturaleza. El teleférico se encuentra dentro del área de 100 hectáreas de bosque lluvioso que fue concesionada a Gamboa Resort. Su recorrido es de 1,2 Km y dura 72 min. Su velocidad es no mayor de 1 m/s. Existe una distancia de 61 m entre una cabina y otra, demorando 3,75 min entre las mismas. En marzo de 1.998 se elige la ruta para el teleférico y en junio se realizan los estudios de impacto ambiental, la construcción se da inicio hacia las finales del mes de agosto de 1.999. Se protegieron la mayoría de los árboles ubicados en el entorno de la ruta del teleférico. La mayoría de los trabajos se hicieron utilizando fuerza humana para el acarreo de las enormes piezas estructurales, de forma tal que se redujo al mínimo el uso de pesado equipo de construcción (grúas, maquinarias, etc.) que habría alterado el entorno. Las siete torres fueron armadas en cada lugar, pieza por pieza.
Aspectos Técnicos Se presenta a continuación la descripción de los aspectos técnicos relacionados con los principales elementos que componen un sistema teleférico. Estos elementos son: a. Cables, b. Torres de soporte, c. Estaciones, d. Cabinas, y e. Sistema tensor.
a. Cables Los cables son cuerdas hechas de hebras de acero entrelazados en forma de espiral y son uno de los componentes más característicos de los teleféricos. Los cables son los que se encargan de sustentar y transmitir el movimiento a cada uno de las cabinas en el sistema. Generalizaremos como “línea” al sistema de cables y los componentes que recorren la ruta del teleférico.
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Schneigert, en su publicación de 1966 “Tranvías Aéreos y Funiculares” (Aerial Tramways and Funicular Railways), clasifica los cables según su función de la siguiente manera:
a. Portante: funcionan como pistas aéreas por donde ruedan las poleas de los carros o cabinas. Generalmente se encuentran anclados en uno de los extremos mientras que el otro es tensionado con un peso flotante. Si el trayecto es corto y las instalaciones son ligeras, se pueden anclar ambos lados o tensionar con resortes de compresión.
b. Tracción o trayente: forman un circuito cerrado que transmite a las cabinas el movimiento generado por los motores que se encuentran en la estación terminal.
c. De tensión: conecta los cables principales con sus respectivos pesos tensores, bien sea en la polea de retorno o directamente en el extremo del cable portante.
d. Portante-trayente: son cables sin fin que funcionan como pistas y como agentes transmisores del movimiento al mismo tiempo. Son los empleados en los teleféricos monocables que se mencionarán posteriormente.
e. Cables de señales: transmiten la electricidad, señales eléctricas, telefónicas, etc.
Fabricación de los cables Los cables están formados por un núcleo de fibra y varias capas de trenzas de menor diámetro que a su vez son hechas de alambres de acero entrelazados en forma helicoidal (figura 2.1). Son manufacturados de acuerdo a los requerimientos y las exigencias de cada proyecto en particular. FATZER es una compañía Suiza que se dedica a la fabricación especial de cables para teleféricos. En su catálogo de productos de 2.001, describen el proceso de fabricación.
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El acero es fundido continuamente en hornos eléctricos. Se extraen los contaminantes y se hace pasar el acero por un proceso de rolado o mecanizado. El acero en forma de barra, con un diámetro de 5,5 mm o menos, es primero decapado, preestirado y dependiendo del diámetro final es “estandarizado” a medidas intermedias. “Estandarizado” es el nombre dado al tratamiento térmico dado al alambre en donde es calentado hasta aproximadamente 950 ºC y enfriado luego en un baño de plomo entre 450 y 550 ºC. Después del tratamiento térmico, el alambre presenta una microestructura llamada sorbita que facilita el conformado en frío. El estirado en frío endurece el alambre. Debe ser estandarizado varias veces, dependiendo del diámetro final, con el objeto de restaurar la capacidad para la deformación. La reducción en la sección transversal en el estirado final es de 60% a 85% para alambres gruesos y de 70% a 90% para alambres finos respecto a la sección transversal de los alambres estandarizados.
Núcleo
Cable Trenza
Alambre
Figura 2.1. Composición de los cables
La resistencia de los alambres esta determinada por sus composiciones químicas y la reducción total de sus secciones transversales durante el estirado en frío. La resistencia se hace mayor a medida que el contenido de carbón y la reducción del área transversal aumentan, mientras que la capacidad para la elongación, el pandeo y la deformación disminuyen. Adicionalmente, los cables son tratados superficialmente antes del estirado final, para protegerlos contra la corrosión. En algunos casos, al alambre se le proporciona un encamisado de hierro-fosfato o zinc-fosfato, o es tratado alternadamente con solución de bórax. El método más común para proteger contra la corrosión es la aplicación de una camisa de zinc al alambre. 13
El núcleo del cable puede estar hecho de fibras textiles, fibras plásticas o de acero. El núcleo provee una cama elástica que previene la fricción interna y el deslizamiento de los alambres trenzados alrededor de él. Al mismo tiempo, el núcleo de fibra de textil actúa como absorbedor de lubricante para la lubricación interna de los alambres. Cuando el cable está en uso, los alambres aprietan el núcleo y permiten la salida del lubricante hacia los alambres, manteniendo la lubricación. El trenzado de los cables se realiza en tres operaciones: -
Fabricación del núcleo.
-
Girado de los alambres para producir trenzas.
-
Girado de las trenzas alrededor del núcleo para formar el cable.
El proceso de fabricación de las trenzas comienza con el rebobinado de los alambres a carretes y corte a la longitud específica. El número de carretes de alambre escogidos para la construcción del cable son colocados en la máquina para trenzar (figura 2.2). Esta máquina consiste básicamente en tres unidades: una parte rotatoria, uno o dos cabrestantes y un sistema recolector. La parte rotatoria esta vinculada al cabestrante por medio de un sistema de engranajes. El paso se obtiene seleccionando la unidad de engranajes adecuada.
Figura 2.2. Máquina de trenzado. 1. Parte rotatoria, contiene l os carretes de alambre. 2. Cabestrante. 3. Dispositivo recolector
El cabestrante hala los alambres desde el rotor a través de un plato divisor, de un punto de cierre y la unidad de postformado. El plato divisor organiza los alambres de manera que queden posicionados correctamente para el diseño escogido en el punto de cierre. Cuando sea necesario, se puede aplicar lubricante entre el plato divisor y el punto
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de cierre. Finalmente se da el balanceo final en la unidad de postformado. La trenza es embobinada en un carrete adecuado para el siguiente proceso. La fabricación del cable se lleva a cabo en una máquina cuyo principio de operación es el mismo que para la fabricación de las trenzas (figura 2.3) La diferencia está en el menor número y mayor capacidad de los carretes. El cabestrante hala las trenzas a través el aparato de preformado para darles la forma helicoidal. Todas las trenzas se unen alrededor del núcleo en el punto de cierre. Al cable se le da el balanceo final en la unidad de postformado después de pasar por el cabestrante y antes de ser embobinado en el carrete de transporte.
Figura 2.3. Máquina de trenzado de cable. 1. Parte rotatoria, contiene los carretes de trenzas. 2. Cabestrante. 3. Dispositivo recolector
Propiedades químicas de los cables y otros datos El material del cual están hechos los cables es una aleación de acero que contiene carbono, manganeso, silicio, fósforo, azufre y nitrógeno. Se pueden conseguir también pequeñas cantidades de aluminio, cromo, y cobre. El contenido de carbono aumenta la capacidad para ser deformado, para ser trefilado o estirado; el silicio eleva el esfuerzo a la rotura y proporciona una textura más homogénea; el fósforo eleva el esfuerzo límite de rotura y el límite de elasticidad pero, es perjudicial para la ductilidad y causa licuaciones; el azufre causa licuaciones y corrosión.
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Las propiedades químicas y mecánicas de los cables fabricados por la empresa FATZER se muestran en la Tabla 2.1. Tabla 2.1. Pro iedades uímicas mecánicas de los cables de FATZER.
Carbono
0,4 a 0,9 %
Manganeso
0,3 a 0,7 %
Silicio
0,1 a 0,3 %
Fósforo
máx. 0,045%
Azufre
máx. 0,045 %
Nitrógeno
máx. 0,008 %
Densidad
7.850 Kg/m3
Peso específico
7,85 Kg/dm3
Esfuerzo nominal de tensión
1.370 a 2.060 N/mm2
Límite de proporcionalidad
40 a 55 % del esfuerzo de tensión
Punto de fluencia
70 a 85 % del esfuerzo de tensión
Modulo de elasticidad
Aprox. 200 KN/mm2
Coeficiente de expansión térmica
12x10-6
Elongación
0,012 mm/ ºC de diferencia de temp.
Resistividad
Aprox. 0,2 Ωmm2/m
Tipos de cable Los cables se clasifican según el tipo de trenzas que posea el mismo. FATZER concuerda con la clasificación de trenzas que realizó Schneigert (op.cit.), la cual es de la siguiente manera:
Estándar: todos los alambres, con excepción del alambre central, poseen el mismo diámetro. El número de alambres incrementa por 6 con cada capa adicional. Los alambres en todas las capas se cruzan con los de la capa inmediata interior en un ángulo obtuso. Como consecuencia se genera un contacto puntual entre los cables (figura 2.4).
16
1+6=7 alambres 1+6+12 =19 alambres Figura 2.4. Trenzas tipo estándar
Seale: el número de alambres es el mismo en cada capa. Por lo tanto, los alambres de las capas exteriores son de diámetro mayor que los interiores. Debido a que todos los alambres reposan en las cavidades formadas por los alambres interiores el entrecruce de los alambres no se produce. Esto trae como consecuencia que el contacto entre los alambre es linear lo que a su vez se traduce en mayor durabilidad del cable (figura 2.5). Su nombre viene dado por Thomas Seale, quien recibió la patente por este diseño en los Estados Unidos en el año1.885.
1+8+8=17 alambres 1+9+9 =19 alambres Figura 2.5. Trenzas tipo Seale
Warrington: los alambres en la primera capa interior poseen el mismo diámetro. Un alambre reposa sobre cada una de las cavidades que forma la primera capa. Entre estos alambres reposan alambres de menores diámetros. El contacto en este tipo igualmente es lineal (figura 2.6).
1+6+ (6+6)=19 alambres 1+7+ (7+7) =22 alambres Figura 2.6. Trenzas tipo Warrington
17
Filler wire (FW) (alambre de relleno): formadas por al menos tres capas que tienen alambres de diferentes diámetros. Los alambres en cada capa son uniformes. El número de alambres en la primera y en la capa de relleno es el mismo y, en la capa siguiente exterior, es el doble. El contacto es lineal (figura 2.7).
1+4+4F+8=19 alambres
1+5+5F+10 =21 alambres
Figura 2.7. Trenzas tipo Filler Wire (FW)
Warrington-Seale (WS): es una combinación de los diseños Warrington y Seale. Una trenza tipo Warrington se completa con una capa con el arreglo de Seale. El contacto entre todos los alambres es lineal. El diámetro del alambre central incrementa a medida que el número de alambres exteriores aumenta (figura 2.8).
1+5+(5+5)+10=26 alambres 1+6+(6+6)+12=31 alambres Figura 2.8. Trenzas tipo Warrington-Seale
Compactados: el término de compactados describe la reducción del diámetro de las trenzas o cables por medio de laminado, estirados o estampado. El propósito del compactado es incrementar el factor de relleno de las trenzas. Los alambres exteriores son deformados plásticamente de manera que reducen los espacios entre los alambres en el área transversal del cable. Debido al alto factor de relleno de dicha área, el esfuerzo de rotura puede aumentar en aproximadamente 10%. Además, los alambres exteriores aplanados, generan menor presión por unidad de área en los ganchos de las cabinas y en las poleas de las torres. Las líneas de contacto entre las trenzas se convierten en
18
superficies de contacto, lo que reduce la presión localizada en la superficie del cable. Estas ventajas incrementan la vida de servicio de los cables (figura 2.9).
Mejor relleno de área en la sección transversal
Líneas de contacto se convierten convierten en su erficies erficies Alambres exteriores aplanados
Menor presión en la superficie con el gancho y poleas
Puntos de contacto se convierten en líneas
Figura 2.9. Trenzas compactadas.
La nomenclatura de los cables viene dada por la cantidad de trenzas que posea, la cantidad de alambres que posea cada trenza y por el tipo de trenza. Por ejemplo, un cable que posea 6 trenzas de tipo Seale con 19 alambres cada trenza, se denota “6x19 Seale”
b. Torres de soporte En los teleféricos, los cables se encuentran soportados por zapatas o por poleas acanaladas en los topes de de las torres de soporte. Las torres de los teleféricos de pasajeros son fabricadas en acero y deben reposar sobre fundaciones de concreto armado. Para poder realizar una selección adecuada para las torres, es necesario obtener información sobre la altura de las zapatas donde reposaran los cables portantes o de las ruedas por donde circularán los cables trayentes o portante-trayentes, altura de las fundaciones y la línea central del soporte propuesto, así como la tensión y la presión en el cable. Esta información y los resultados de los estudios de suelo conforman las bases para el diseño de las torres de soporte. Es recomendable tomar en cuenta la posibilidad de cambios en la posición de las torres debido al establecimiento de las fundaciones y esto debe ser previsto en el diseño y 19
construcción de las mismas. Se deben permitir ajustes tanto para la altura de las torres como para su orientación respecto a la línea central del teleférico. En las montañas las torres no deben ser construidas en sitios propensos a derrumbes. Las excavaciones para las fundaciones deben realizarse hasta llegar a suelo firme. Las torres pueden ser de tres tipos, de: •
Sostén: se distinguen porque el cable se apoya sobre las poleas, es decir, pasa por arriba de las poleas. Se usan principalmente cuando la fuerza del cable tiende a ir hacia abajo decididamente.
•
Retención: se distinguen porque el cable pasa por debajo de las poleas. Se usan principalmente cuando la fuerza del cable tiende a ir hacia arriba decididamente.
•
Doble efecto: se distinguen porque el cable pasa entre dos grupos de poleas, uno superior y otro inferior. Se utiliza en los tramos donde por efecto de carga el cable tiende a aplicar fuerza hacia arriba y hacia abajo.
La figura 2.10 muestra algunos ejemplos de torres de soporte.
1
2
3
Figura 2.10.Diferentes tipos de torres de soportes. 1. Teleférico de Madeira, Madeira, Portugal. 2. Genting Hi hlan hlands ds Paha Pahann Mala Malasi sia. a. 3. Palm Palm S rin rin s Aeri Aerial al Tram Tram Cali Califo forn rnia ia USA. USA.
20
c. Estaciones Las estaciones se encuentran ubicadas al final de cada sección de teleférico. Pueden ser llamadas según su ubicación como estación “inferior” y “superior” si la ruta es en una montaña. Si hay dos secciones se pueden llamar “inferiores”, “intermedias” y “superiores”. Dependiendo de la fuente de potencia pueden ser llamadas “motriz” (se encuentran los motores que impulsan al sistema) y “de retorno” (se encuentra la polea de retorno del cable tractor). Según el tipo de sujeción de los cables portantes, pueden llamarse “de anclaje” o “de tensión”. Referente a los cables tractores, se pueden llamar “de tensión” (se encuentra una polea acanalada flotante vinculada al contrapeso) y “motriz” (se encuentra una polea acanalada que transmite la potencia de los motores al cable). En donde dos o más secciones se encuentran, las estaciones se llaman “de división”, mientras las estaciones “de ángulo” son aquellas en donde el teleférico cambia de dirección en el plano. Dependiendo del tipo, las estaciones contienen un generador de potencia, una polea de retorno, pesos tensores o sistema tensor, dispositivo de acople y desacople de las cabinas, señalización y equipos de seguridad, e instalaciones de suministro eléctrico. Generalmente se usan motores eléctricos para darle movimiento al sistema. Sin embargo, los motores de combustión interna también son utilizados para generar electricidad o, incluso, para transmitir el movimiento directamente al sistema. Como ejemplo podemos nombrar el caso del teleférico Ávila Mágica que utiliza dos motores eléctricos de corriente continua conectados en serie que pueden generar 1.291 caballos de fuerza a una tensión de corriente continua de 500 voltios. Luego, como motor de reserva, cuentan con un motor de ciclo Diesel que tiene capacidad de generar 1.206 caballos de fuerza.
21
d. Cabinas Las cabinas son los vehículos en los cuales se transporta las personas y/o materiales en el teleférico. Estos consisten, dependiendo del tipo de teleférico, en un carro provisto de ruedas que se apoyan del cable portante o un clip que se sujeta al cable tractor, un sistema de acople y desacople, un brazo que vincula el soporte al cable con el recinto o cesta de carga suspendido y, el recinto en donde viajan los pasajeros.
e. Sistema tensor El sistema tensor es un dispositivo que se instala en uno de los extremos de la línea, permite una oscilación controlada del cable a medida que las cabinas circulan en cada tramo de la línea y, a su vez, mantiene una tensión adecuada que evita el contacto de las cabinas con obstáculos en el terreno. La tensión puede efectuarse por efecto de contrapesos o por efecto de dispositivos hidráulicos.
Clasificación de los teleféricos Schneigert (op.cit.) clasificó los teleféricos de la siguiente manera: a. De acuerdo a la intensión de uso: •
Industrial: para transportar materiales y bienes de un lado a otro de una fábrica o de una fábrica a otra. También para transportar rocas y minerales extraídos de minas a los centros de procesamiento o distribución. Se emplean a nivel industrial cuando se requiere superar obstáculos naturales, servicio continuo, capacidad relativamente alta de transporte, inmunidad a cualquier clima (excepto fuertes vientos y hielo) y superar diferencias de alturas importantes.
22
•
Pasajeros: para el transporte de turistas hacia las montañas, obreros a obras como represas y minas, cruce de ríos, como transporte público en las ciudades.
b. De acuerdo al movimiento del sistema: •
Vaivén: con este movimiento el carro viaja a lo largo del cable portante, de una estación a otra y de regreso. Usualmente se emplean dos pistas y dos cabinas y se les llama doble vaivén. En este tipo, cuando una cabina se aleja de una estación la otra se acerca a la misma. Debido a que sólo hay una cabina en cada cable portante, la capacidad de transporte es baja y es directamente proporcional a la velocidad y capacidad de cada cabina e inversamente proporcional a la longitud de la ruta.
•
Circulación continua: con este movimiento el cable tractor sin fin se mueve a una velocidad uniforme, gira en la polea motriz en una estación y gira en la polea de retorno, combinada con el sistema tensor, en la otra estación. Las cabinas están sujetas al cable mediante acoples fijos en cuyo caso los pasajeros deben subir y bajar mientras está en movimiento o, mediante acoples desmontables automáticamente donde la cabina se desacopla del sistema mientras los pasajeros suben o bajan y el cable continúa su movimiento. La capacidad de transporte es directamente proporcional a la velocidad y la capacidad de las cabinas e inversamente proporcional al espaciamiento de ellas a lo largo de la línea. Ofrece una mejor utilización de las instalaciones ya que hay un mayor número de pequeñas cabinas en la línea en vez de una grande y pesada.
•
Movimiento intermitente: en teleféricos con circulación continua y baja capacidad de transporte, se puede emplear movimiento intermitente en donde toda la instalación se detiene para el embarque y desembarque de los pasajeros cuando una cabina alcanza una estación, mientras que las otras permanecen suspendidas en el sistema. La capacidad de transporte es 23
directamente proporcional a la velocidad y capacidad de cada cabina e inversamente proporcional al espaciamiento de las cabinas en la línea. c. De acuerdo con el tipo de línea: •
Con cable portante fijo (bicable): la característica básica de este tipo es la aplicación de dos cables, uno portante fijo y otro tractor con circulación continua. En este tipo de teleféricos el cable portante debe ser revisado a lo largo de la línea por trabajadores viajando en una cabina.
•
Con cable portante-trayente en movimiento (monocable): éstos están caracterizados por tener un solo cable con movimiento continuo que actúa tanto de portante como de tractor. Tiene la gran ventaja de la simplicidad de su estructura, facilidad de ensamblaje y posibilidad de controlar el cable desde la estación. Los teleféricos monocables requieren que los pasajeros bajen y suban de la cabina mientras se encuentra en movimiento. En este tipo de teleféricos el cable portante es revisado por los trabajadores en una de las estaciones.
Normativas y sugerencias para la planificación, diseño y construcción de teleféricos En la actualidad, la planificación, diseño y construcción de los teleféricos se realiza con base en normativas y sugerencias que han desarrollado organizaciones y entes gubernamentales en los países donde son más comunes los teleféricos. Estas normativas contemplan todos los aspectos relacionados con la instalación de teleféricos como lo son las torres, los cables, factores de seguridad, separaciones entre el suelo y las cabinas, estaciones, señalizaciones y componentes mecánicos. Venezuela no cuenta con una normativa para la construcción de teleféricos. Es por eso que se toman las existentes en otros países para la planificación de un sistema en nuestro país.
24
La Organización Internacional de Transporte en Teleférico (O.I.T.A.F. por sus siglas en italiano) ha publicado una serie de recomendaciones técnicas para la construcción de diferentes tipos de teleféricos. En la publicación “Recomendaciones técnicas para la construcción de telecabinas monocables con vehículos sujetos de manera fija al cable tractor para el transporte público de personas” edición revisada 1.989, plantea que la intención de dicha publicación es dar recomendaciones para países en los que no existen regulaciones en la materia. En el punto 1.2.2 establece que si el país en donde se está instalando el sistema no tiene su propia normativa, el dimensionamiento, características, trabajo y uso de los materiales serán las establecidas por el país de proveniencia del fabricante del teleférico.
Planificación de la línea Según Schneigert (op.cit.), una de las mayores dificultades a la hora de planificar la ruta del teleférico es la disposición de los cables y las torres a lo largo de la línea de manera de asegurar una separación conveniente entre la parte más baja del carro y el terreno. La ubicación de las estaciones terminales usualmente son impuestas por consideraciones industriales u otras consideraciones locales. La selección de la ruta comienza con la ubicación de las estaciones. La posición de la estación inferior normalmente se selecciona en las cercanías de las vías de acceso; y las superiores cerca de la cumbre de las montañas, preferiblemente en una meseta conveniente. La selección de la ruta también depende del perfil del terreno y del número y tipo de obstáculos encontrados. La ruta debe ser planificada en línea recta, sin embargo, existen ciertas consideraciones en las cuales pueden existir ligeros cambios de dirección en una misma línea, con la aplicación de estaciones angulares que permiten la transición de una dirección a otra. Para fines de practicidad en el diseño, los teleféricos de trayectos muy largos son divididos en secciones. Cada sección es un teleférico independiente que posee su propio tren de tracción y de tensión. Estas subestaciones pueden ser configuradas de manera que 25
la ruta pueda cambiar de dirección. Con dos o más estaciones se puede cubrir cualquier ángulo. Como ejemplo podemos mencionar al teleférico de Mérida, el cual posee 4 secciones independientes los cuales cubren el recorrido total de 12,5 Km, cambiando de dirección varias veces. Una vez ubicadas las estaciones terminales, una línea recta es trazada entre las dos estaciones en el plano. Si la ruta es muy larga, el teleférico puede ser dividido en varias secciones independientes, cada una con sus respectivos componentes. Estas secciones están vinculadas por una estación intermedia o de tránsito, en donde los pasajeros pudiesen o bien cambiar de una cabina a otra o permanecer en la cabina que es trasladada de una línea a otra a través de rieles.
Catenarias Las catenarias son curvas que describen los cables suspendidos por sus extremos y que se encuentran sometidas a un campo gravitatorio uniforme. Estas curvas son producidas por efecto del peso del cable y por las cargas distribuidas a lo largo de la línea. Para el cálculo de la catenaria, producida por el peso del cable de teleférico, Schneigert (1.966) plantea la siguiente formulación: Se considera el cable colgando libremente, anclado en sus extremos, y su peso como una carga distribuida uniformemente a lo largo del tramo. La curva descrita por tales condiciones viene definida por la ecuación parabólica
y =
wx 2
2 H
donde, y: distancia en y x: distancia en x w: peso por metro del cable
26
(1)
H : es la componente horizontal de la tensión en los extremos
(2)
H = S cos β
: es el ángulo entre la horizontal y la línea que une los dos puntos extremos S: es la tensión del cable.
La figura 2.5 ilustra los componentes incluidos en los siguientes cálculos. Cuando los puntos extremos del cable se encuentran a la misma altura, la deflexión máxima se producirá en el punto medio del tramo.
(3)
x = l / 2
donde l es la longitud del tramo, β = 0 ⇒ H = S cos 0 ⇒ H = S
así,
Por lo tanto
f max =
wl
2
8S
(4)
Cuando los puntos extremos del cable se encuentran a una altura diferente, la deflexión viene dada por la fórmula
f =
w(l − x ) x
8S cos β
(5)
Asumiendo que la deflexión máxima ocurrirá en la mitad del tramo, se obtiene f max =
wl 2
8S cos β
27
(6)
Figura 2.11. Curva definida por un cable debido a la distribución de carga uniforme a lo largo del tramo.
28
CAPITULO III METODOLOGÍAY RESULTADOS
Estudio geográfico Para lograr una apropiada selección del terreno donde se trazará el recorrido del teleférico, se llevó a cabo un estudio geográfico de la zona con los recursos y data preexistentes. Se consideró el relieve, vegetación, vías de acceso, edificaciones, paisajes y posibles atractivos turísticos. Para comenzar con el estudio geográfico, se realizaron diversas visitas a la montaña, localizada al norte de la población de San Pedro de los Altos, para conocer el relieve y adquirir primeras impresiones del terreno. Específicamente, las visitas se realizaron por la carretera de La Culebra que comunica al pueblo de San Pedro con el Parque Nacional Macarao. También se recorrió la cuenca del río San Pedro en las faldas de la montaña en estudio. Estas visitas ayudaron a conocer la zona prestando especial atención al tipo de vegetación, accidentes geográficos y posibles espacios donde colocar las instalaciones de las estaciones terminales y las torres de soporte del teleférico. Con la ayuda de un Sistema de Posicionamiento Global (GPS), se marcaron puntos de interés a lo largo de la montaña. El GPS es un dispositivo de navegación basado en una red de 24 satélites que orbitan alrededor de la tierra, a la que transmiten señales que son recibidas por receptores GPS para determinar la localización de quien lo porte. Mediante algoritmos y cálculos los receptores dan una ubicación precisa, normalmente a menos de 10 metros de la posición actual. Los datos obtenidos con el GPS fueron transferidos a un computador con el programa Map Source versión 6.9.1 (figura 3.1). Algunos de los más resaltantes son los siguientes:
29
•
Puesto de guarda parques – La Culebra. N10 23.114 W67 06.043, altitud 1.532 m.s.n.m
•
Loma de Eusebio N10 23.094 W67 05.599, altitud 1.612 m.s.n.m
•
Hito de Cartografía Nacional N10 23.099 W67 05.863, altitud 1.632 m.s.n.m
•
Lindero inferior de los terrenos pertenecientes a Minalba N10 22.551 W67 05.675, altitud 1.386 m.s.n.m
•
Lindero superior de los terrenos pertenecientes a Minalba N10 22.627 W67 05.821, altitud 1.450 m.s.n.m
•
Punto N10 22.347 W67 05.855, altitud 1.343 m.s.n.m
•
Punto N10 22.231 W67 05.725, altitud 1.256 m.s.n.m
Figura 3.1. Puntos de interés marcados con GPS
Las coordenadas transferidas al computador luego fueron ubicadas en el programa Google Earth el cual es un programa computacional que permite navegar por imágenes de satélite de toda la tierra y observar datos geográficos y relacionados con servicios de 30
ciudades como hospitales, colegios, hospitales etc. La resolución de estas imágenes de satélite varía en función de la zona que se desea observar. Las imágenes de ciudades importantes tienen resoluciones de 70, 30,5 ó 15,2 cm/píxel pero, en las zonas en las cuales no existen muchas poblaciones, la resolución es bastante baja y poco detallada. Las imágenes de la población de San Pedro de los Altos es una de esas en la que la resolución es poco detallada, sin embargo, localizar los puntos en este programa permitió visualizar y navegar a través el relieve del terreno, previo a la adquisición de los planos topográficos (figura 3.2).
Figura 3.2. Puntos de interés marcados con GPS, ubicados en el programa
Posteriormente se obtuvo aerofotografías de Cartografía Nacional, planos topográficos y de vegetación en formato digital (apéndices 1 y 2). A través de una detallada y minuciosa comparación, se marcaron los puntos ubicados con el sistema GPS en la aerofotografía y planos digitales. Así se pudo realizar un estudio general de las condiciones del terreno con el fin de tener bases para proponer diferentes alternativas para la ruta del teleférico. Se estudió el tipo y número de accidentes geográficos a ser superados por la línea, mesetas, ríos y riachuelos, edificaciones, tendidos eléctricos, carreteras, tipo de vegetación y localización de las mismas.
31
Elaboración de propuestas Una vez estudiadas las condiciones existentes en el terreno, se generó una “tormenta de ideas” para trazar en el plano diferentes propuestas para la ruta. La aerofotografía fue utilizada como base para visualizar a manera general todas las propuestas. Las propuestas fueron básicamente líneas que unen dos puntos, los cuales representan las posibles ubicaciones de las estaciones terminales. Posteriormente se determinaron una serie de requisitos los cuales permiten descartar las peores opciones planteadas en la “tormenta de ideas” y así reducir el número de opciones a tres a fin de facilitar la selección de la mejor opción. Los requerimientos para la selección de la ruta fueron los siguientes: •
El área para colocar tanto la estación inferior como la superior es de suma importancia. En la estación inferior, adicional a las instalaciones del sistema teleférico como tal, deben asignarse espacios suficientes para talleres mecánicos, almacenaje de cabinas para cuando se encuentren fuera de servicio, estacionamiento, taquillas, cafetín, etc. En el área para la estación superior debe tomarse en cuenta espacio para la colocación de otras instalaciones a parte de las del teleférico, que permitan el desarrollo turístico en ese punto: cafetines, parques, miradores, caminerías, plazas, etc.
•
Inevitablemente la construcción del teleférico traerá cierto daño ecológico al medio ambiente. Debido a la característica de tipo ecológico del proyecto, se dará especial atención y valor a aspectos que impliquen el menor impacto posible. Para las instalaciones de las torres y otras partes del sistema, es necesario que los involucrados en la construcción y mantenimiento tengan acceso a dichas partes para su erección y mantenimiento. Para esto se tomó en cuenta las vías de acceso existentes, de manera que la necesidad de abrir nuevas vías -que implican mayor daño a la capa vegetal existente- sea menor. 32
•
Adicionalmente, se quiere explotar turísticamente el atractivo de los bosques. Por tal motivo las propuestas fueron trazadas de manera de aprovechar los bosques de galerías existentes actualmente y que posteriormente se integrarán con los bosques sembrados por los proyectos de reforestación. Sin embargo, la instalación de las torres como tal, implican limpieza de un área en específico que permita la buena ejecución de las labores de instalación de las mismas. Instalar torres en áreas con abundante vegetación aumentaría el impacto en el ecosistema. Por tal razón, se desea reducir la instalación de torres en los bosques de galería existentes y se trató de minimizar el hecho de modificarlos para permitir la libre circulación del teleférico.
•
La empresa Minalba expresó el deseo, de ser posible, de mostrar las instalaciones de obtención de agua de los manantiales durante el recorrido del teleférico. Para esto la ruta debe ser planificada para que cruce por encima de los terrenos pertenecientes a la empresa.
•
Para sacar mayor provecho del proyecto, también se tomó en cuenta aspectos que pudiesen desarrollar un valor agregado al turismo tales como espacios para colocar caminerías, parques y miradores.
•
Se desea minimizar el cruce de la línea con tendidos eléctricos, carreteras y edificaciones, para ofrecer una continuidad paisajística a lo largo del recorrido del teleférico. Una vez establecido el criterio de selección de las rutas, se descartaron las
propuestas que no cumplían con los criterios antes expuestos. Como resultado quedaron las tres opciones que se pueden observar en la figura 3.3, en donde se puede apreciar la zona de interés con puntos localizados con el GPS y las propuestas de rutas. Las líneas en color azul definen las rutas descartadas y, las amarillas, las rutas seleccionadas después
33
Puesto de guarda parques - La Culebra
Hito de Cartografía Nacional
Loma de Eusebio
Lindero superior Minalba Lindero inferior Minalba
3 4 5 2
Helipunto
Figura 3.3. Aerofotografía con las propuestas de ruta.
34
1
del primer descarte. Se puede apreciar también el tipo de vegetación y las vías de acceso. Los números en color blanco representan la ubicación de los manantiales de la planta Minalba. También las rutas seleccionadas fueron representadas en los planos topográficos y de vegetación (apéndices 1 y2)
Selección de la mejor propuesta Para la selección de la mejor propuesta se elaboró una matriz de evaluación (tabla 3.1). En ella se plantearon los criterios de selección. A cada criterio se le asignó un factor de importancia del 1 al 5, en donde 1 “es menor importancia” y 5 “es mayor importancia”. Se introduce este factor de importancia debido a que hay criterios que son críticos a la hora de trazar la ruta y hay otros que importan muy poco y que no son decisivos para la selección pero que dan un valor agregado al proyecto. Luego se evaluaron dichos criterios en cada una de las 3 rutas propuestas. La evaluación se hizo asignando valores del 1 al 5 en donde 1 es mínimo y 5 es máximo. En los criterios de “modificación de los bosques existentes” y “cruce con tendidos eléctricos y edificaciones”, en los cuales se deseaba que fueran mínimos, 1 significa mayor modificación o cruce y 5 lo contrario (5 era el deseado para la mejor ruta). Una vez realizada la evaluación de cada propuesta, se multiplicaron los puntos de cada criterio por el factor de importancia. El resultado de cada criterio finalmente fue totalizado para las 3 opciones, obteniendo así las puntuaciones totales respectivas. La propuesta de Ruta 1, que obtuvo mayor puntaje, fue la seleccionada para el proyecto.
35
Tabla 3.1. Matriz de evaluación para la selección de la ruta.
MATRIZ DE EVALUACIÓN DE LA RUTA Escala de ponderación: 1, 2, 3, 4, 5. (1 menos importante - 5 más importante) Ruta 1 i o r e t i r C
Área para estación superior Área para estación inferior Acceso a las instalaciones a lo largo de la línea Cruza zonas actualmente forestadas Modificación de los bosques existentes Cruza por terrenos de Minalba Visual de los manantiales de Minalba Posibilidad de valor agregado Cruza tendidos eléctricos, edificaciones u otras instalaciones
Ruta 2
Ruta 3
n n i o n i o n i o ó r r r i ó ó ó i i i e e e c t t t c c c i i i r r r a a a r a c c c u u u e t t t l l l d n n n n t a t a t a u u u o o o o P P P P T T T
5 5
5 5
25 25
3 5
15 25
2 5
10 25
3
4
12
3
9
2
6
3
3
9
3
9
5
15
4
3
12
3
12
2
8
3
4
12
4
12
4
12
4
5
20
2
8
3
12
2
4
8
2
4
2
4
2
5
10
5
10
5
10
(*)
(**)
133
PUNTUACIONES TOTALES
104
102
RUTA 1 SELECCIONADA (*) Mayor puntuación = menos modificación (**)Mayor puntuación = menos cruce
Con la selección de la ruta se definen los puntos terminales del teleférico en donde estarán ubicadas la estación superior y la estación inferior. La estación superior se ubicará en la llamada “Loma de Eusebio”, coordenadas 10°23'5,64" norte, 67° 5'35,93" oeste, y la estación inferior en las coordenadas 10°22'15,49" norte, 67° 6'1,70" oeste.
Selección del tipo de sistema teleférico a emplear Antes de dar paso al levantamiento del perfil de la línea, es importante seleccionar el tipo de teleférico a emplear, ya que la normativa y los cálculos de las instalaciones varían de un tipo de teleférico a otro.
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El sistema seleccionado es de tipo circulación continua con cable portantetrayente, debido a la simplicidad de las estructuras, la facilidad y rapidez para ensamblar el sistema, la capacidad de distribuir a los usuarios a lo largo de la línea mientras el sistema permanece en movimiento, al igual que el abordaje y desembarque de pasajeros en las estaciones terminales.
Levantamiento del perfil de la línea Una vez determinada la ubicación de las estaciones terminales y seleccionado el tipo de teleférico, se procedió al levantamiento del perfil de la línea en el corte longitudinal topográfico que sigue la ruta seleccionada. Este levantamiento se elaboró en formato digital, con base en un plano de perfil de corte del terreno. Trazar el perfil de la línea permite definir la cantidad y altura de las torres de soporte, la longitud de la línea y el gradiente de altura que superará el teleférico en su recorrido, así como el espacio entre la línea y el suelo y/u obstáculos en el terreno en cada punto del recorrido. Es importante representar en el levantamiento los cables del teleférico, con y sin cargas, para calcular alturas de las cabinas al momento en que éstas circulen por la línea y garantizar el libre funcionamiento del sistema. Schneigert (op.cit.) sugiere que la cantidad de torres en promedio para los teleféricos monocables es de 10 por cada kilómetro de recorrido, pero depende de la capacidad de transporte y el perfil del terreno. Por lo tanto, el número de torres puede variar de 8 a 15 por kilómetro. La distancia en el plano horizontal entre los dos puntos seleccionados para la estaciones es de 1.704 metros, lo que implica que el sistema debe poseer aproximadamente 17 torres. La altura de las torres depende de la cantidad de las mismas y del perfil del terreno a lo largo de la línea. Una de las características deseadas para el teleférico de San Pedro es el tipo ecológico, que sirva de plataforma para que los visitantes puedan observar de manera cercana la naturaleza durante el viaje. Por eso, las alturas de las torres se estimaron para que durante el recorrido las cabinas viajen a nivel de las copas de los 37
árboles o a través de los bosques lo máximo posible. Los tipos de árboles que abundan en la zona y que además son sembrados en los proyectos de forestación que lleva a cabo la empresa Minalba, son el Jabillo, el Bucare y el Araguaney. La altura del Jabillo puede variar entre 10 y 40 metros, la del Bucare entre 15 y 30 metros y la del Araguaney entre 6 y 12 metros. Así, a las torres se les asignó una altura de 15 metros, excepto en casos especiales. Debido a que el cálculo de las estructuras de las torres no es parte de los objetivos del trabajo, se asumieron las medidas del espesor y tipo de torre tomando como referencia el teleférico de Caracas Ávila Mágica, cuyas torres son de tipo tubular y tienen un diámetro de 50 centímetros. La O.I.T.A.F (op.cit.), en su punto 2.1.5, establece que bajo condiciones más desfavorables, la distancia mínima entre la parte más baja de la cabina y cualquier posible obstáculo en el terreno debe ser como mínimo 3 metros. Para cumplir con esta regulación, se asumieron las dimensiones de las cabinas a 1,7 x 1,7 metros de base por 4 metros desde el piso hasta el gancho de agarre con el cable. El proceso del levantamiento del perfil de la línea fue de manera iterativa, y se muestra en el plano ubicado en el apéndice 3. Las torres se representaron como rectángulos de acuerdo a la escala del plano. Se ubicaron en el plano en puntos de cresta del terreno para garantizar espaciamiento suficiente entre la catenaria dibujada por el cable y el perfil del suelo. Una vez ubicadas las torres se unieron los puntos medios de los vértices superiores de los rectángulos con una línea recta (línea color púrpura, apéndice 3). Esta línea recta permite calcular la distancia horizontal, la diferencia de altura total y de cada tramo, la distancia inclinada entre una estación y otra y, el ángulo de inclinación. Estos datos son necesarios para cálculos posteriores de tensión del cable. Algunas torres se movieron de posición ya que su ubicación era de difícil acceso o se encontraban en medio del bosque lo que traería como consecuencia mayor destrucción de la capa vegetal para poder acceder al lugar y poder realizar la construcción de la torre. El cambio de posición se compensaba en alguno de los casos con la adición o eliminación de otras torres.
38
Finalmente, el levantamiento dio como resultado 15 torres de soporte para todo el recorrido. Las torres fueron enumeradas del 1 al 15, empezando desde la más cercana a la estación inferior, para facilitar la referencia a alguna torre o tramo en particular durante el desarrollo subsiguiente del proyecto. Se calculó, para cada tramo, la distancia horizontal, la diferencia de altura, la longitud y ángulo de inclinación, así como el total. Estos valores se observan en la tabla 3.2. Tabla 3.2. Características de la línea. Tramo entre torres Polea -1 1 – 2 2 – 3 3 – 4 4 – 5 5 – 6 6 – 7 7 – 8 8 – 9 9 – 10 10 – 11 11 -12 12 – 13 13 – 14 14 – 15 15 – Polea Totales
Distancia Distancia Longitud Áng ulo de horizontal vertical de tramo inclinación [m] [m] [m] 10,25 240,00 170,00 210,00 130,00 120,00 50,00 150,00 70,00 70,00 100,00 130,00 141,00 78,65 24,3287 10,25
0,00 100,78 37,86 39,87 68,53 52,96 0,00 -34,34 8,42 -3,55 10,13 16,85 37,99 29,50 0 0
10,25 260,30 174,16 213,75 146,96 131,17 50,00 153,88 70,50 70,09 100,51 131,09 146,03 84,00 24,33 10,25
1.704,48
365,00
1.775,02
Distancia horizontal
Desnivel
0,00 22,78 12,55 10,75 27,80 23,81 0,00 -12,89 6,86 -2,90 5,78 7,38 15,08 20,56 0 0
Longitud de línea
El levantamiento hecho hasta este momento, representa los puntos en donde el cable se apoyará en cada torre de soporte. Sin embargo, la catenaria descrita por el cable disminuirá la distancia de holgura con el terreno. Para comprobar que la ubicación de las torres, espaciamiento entre ellas y sus alturas son adecuadas para cumplir con las regulaciones de holgura mínima, los cables deben ser representados en el plano del perfil de la línea como catenarias. En los teleféricos, las catenarias de los cables dependen de 39
parámetros relacionados con las características del mismo como lo son el peso de las cabinas, peso por metro y tensión en el cable. Por tal motivo, es necesario realizar primeramente la selección del cable a emplear, luego la tensión del mismo y, posteriormente, el cálculo de las catenarias para finalmente dibujarlo en el plano del perfil y así comprobar la libre circulación de las cabinas a través del recorrido.
Selección del cable Para la selección del cable primeramente se estimaron las cargas que serán soportadas por el sistema, generadas por la acción del peso de las cabinas y los usuarios. Por recomendaciones de la O.I.T.A.F. (op.cit.), en el punto 2.3.5, se estimó el peso por persona en 75 Kg. Tomando en cuenta que la cabina debe ser de metal estructural (apéndice 4) para que soporte la carga que le será aplicada, se estimó el peso de la misma en 300 Kg. con capacidad para 7 personas (6 visitantes más un guía). Se propuso la cantidad máxima de 20 cabinas en todo el sistema. Las estimaciones y cálculos se presentan en la tabla 3.3.
Tabla 3.3.
Primeras estimaciones y cálculos de cargas
Descripción, [unidades de medida] Peso estimado por persona [Kg] Peso estimado de cabina vacía [Kg] Cantidad de personas por cabina Peso estimado de cabina en carga máxima [Kg] Peso estimado de cabina en carga máxima [KN] Cantidad de cabinas en el sistema Carga total estimada en el sistema [KN]
Valor
Comentarios
75 Por recomendaciones de la O.I.T.A.F.(op.cit.), punto 2.3.5 300 Cabina de metal estructural con capacidad para 7 personas 7 6 visitantes + guía 825
(7) * (10) + (8)
8,09
(10) * gravedad 1000 Propuesto
20 161,87
40
(11) * (12)
(7) (8) (9) (10) (11) (12) (13)
Para fines de cálculos posteriores, se tomó en cuenta la recomendación de la O.I.T.A.F. (op.cit.) en el punto 3.2.2, el cual sugiere que la carga efectiva de rotura del cable portante-trayente debe ser al menos 4,5 veces mayor que la carga máxima soportada en el sistema, en condiciones desfavorables de aceleración y desaceleración, peso del cable con todos las cabinas cargadas al máximo y ancladas al sistema, resistencia de las poleas por donde circula el cable y, tensión proporcionada por el sistema tensor. Para cumplir con dicha recomendación, se tomó un factor de seguridad de 5. Este factor fue multiplicado por la carga total estimada en el sistema (13) para obtener el valor de la carga incluyendo el factor de seguridad. Carga estimada en el sistema (incluyendo factor de seguridad) = 809,33 KN
(14)
Una vez estimada la carga total con el factor de seguridad, se seleccionó el cable portante tractor. Esta selección fue realizada con base en la información suministrada por la compañía FATZER en su catálogo de productos del año 2.001. Se utilizó un extracto del catálogo que muestra una ayuda para la selección del cable según la gama que ellos ofrecen (apéndice 5). Para el caso particular del teleférico de San Pedro, el cual se propone como un teleférico monocable de cabinas, entre los tipos de cables que sugiere la empresa se encuentran: 6x19 Seale, 6x19 Seale compactado, 6x41 WS (Warrington-Seale), 6x47 WS y 6x36 WS compactado. Además, el extracto contiene tablas de cargas mínimas de rotura y datos característicos de cada modelo y a su vez de cada diámetro de cable. Entiéndase por carga mínima de rotura como la carga más pequeña necesaria para que, en este caso el cable, se rompa. De los cables propuestos, sólo se pudo obtener información proveniente de la empresa para los modelos 6x19 Seale y 6x36 WS compactado. De estos dos modelos se seleccionó el último, ya que, en comparación con los “no compactados”, el tipo compactado el esfuerzo de rotura es mayor, tiene mayor tiempo de vida de servicio y 41
otros elementos del sistema como lo son las poleas y los ganchos de agarre sufren menos desgaste lo que se traduce en menos reemplazo y reparaciones de dichos elementos dentro de los mantenimientos preventivos. Utilizando la tabla referente a los cables 6x36 WS compactado, en el apéndice 6, se buscó el valor inmediato superior al de la carga estimada en (8) que aparece en dicha tabla, procurando el cable con menor diámetro posible, asumiendo que un cable de mayor dimensión será más costoso y a su vez tendrá mayor peso por metro, lo que se traduciría en mayor dimensionamiento de todos los componentes en el sistema vinculados al cable, generando a su vez aumento en los costos de construcción e instalación. Las dimensiones del cable seleccionado son las siguientes: Valor inmediato superior a carga:
824 KN
Diámetro nominal:
33 mm
Diámetro de los alambres más externos:
1,95 mm
Área transversal:
489 mm2
Peso:
4,25 Kg/m
Carga mínima de rotura:
1.960 KN
Hasta este punto, la selección del cable se realizó tomando en cuenta sólo las cargas debidas al peso de las cabinas con los usuarios pero, adicional a estas cargas, el cable debe soportar otro tipo de esfuerzos provocados por el sistema tensor y otros elementos, generando la tensión en el cable. Esta tensión se calculó para comprobar que el cable seleccionado soporta los esfuerzos a los que será sometido durante el funcionamiento.
42
Cálculo de la tensión en el cable
Para el cálculo de la tensión se empleó un método publicado por Schneigert en 1.971, en su artículo denominado “Cálculo de Tensión en Cables Usando Métodos de Ecuaciones Lineales”. En dicho artículo, el autor desarrolla un procedimiento para calcular la tensión en los cables de los teleféricos utilizando ecuaciones lineales. Este método, en cualquier caso particular, consiste en calcular componentes de fuerzas en el cable bajo condiciones extremas de carga, aplicando luego un valor de tensión mínima para cumplir con recomendaciones técnicas y, posteriormente, calcular las componentes de la tensión en los extremos de la línea.
El valor de la tensión depende de diversas fuerzas variables y parámetros fijos como: el peso del cable (q), gradiente de la línea y su sentido (α), en pocas palabras el perfil de la línea; ubicación del tren de potencia (estación superior o inferior), coeficiente de fricción entre las cuerdas y las poleas (μ), sentido del viaje de las cabinas cargadas (subiendo o bajando) y sus pesos (Qo), tensión aplicada por el sistema tensor (So) y, la aceleración o desaceleración del sistema (p).
También afirma que para un perfil cuya pendiente es “regular” en una dirección (generalmente sube o baja), pueden considerarse ocho casos dependiendo de la posición del tren de potencia, sistema tensor y el sentido del viaje de las cabinas cargadas. Estos casos se muestran en la figura 3.4. Sin embargo, si existen puntos intermedios a lo largo de la línea que se encuentren más arriba de la estación superior y/o por debajo del nivel de la estación inferior, el problema se hace más complicado y es necesario aplicar más casos para hallar la tensión.
La ecuación general de la fuerza axial del cable es de tipo lineal y está influenciado por la suma de los siguientes componentes de fuerza:
43
So: Carga de tensión (ejercido por el sistema tensor) Sh: Componente de fuerza debido a la diferencia de nivel entre las dos estaciones (tensión acumulativa)
Sw: Componente de fuerza debido al número y peso de las cargas individuales a lo largo del sistema
St: Fricción del cable Si: Resistencia de inercia de las partes mecánicas al momento de arrancar y frenar.
La fuerza resultante en el cable (tensión total) es entonces
(15)
S = So + Sh + Sw + St + Si
Los valores de estas componentes vienen dados por las ecuaciones mostradas en la tabla 3.5. Tabla 3.5. Ecuaciones que definen los valores de las componentes de fuerza. So
So So So
Sh Sw Componente de fuerza debido a la diferencia Componente de fuerza de niveles entre las debido al número y peso de estaciones (tensión las cargas. acumulativa) ------------A = Qh = q * h Bw = n * Qw * sin A = Qh = q * h Bo = n * Qo * sin
So
-------
n ó i s n e T
B' = Bw - Bo
St
Si
Componente de la fuerza debido a la Componente de la fuerza debido resistencia de inercia de las partes mecánicas al coeficiente de fricción del cable al momento del arranque y del frenado. ------Cw = (n * Qw * cos + q*l) w Co = (n * Qo * cos + q*l) C' = (n * Qw * cos + q*l) w + (n * Qo * cos + q*l) o
------Dw = (n * Qw + q *l ') * p /g Do = (n * Qo + q*l') * p/g D' = (n * Qw + q*l' + n * Qo + q*l') * p/g
Gráficamente, la tensión del cable es representada como una línea recta. Esta línea puede ser determinada y dibujada si las condiciones existentes en los extremos de la línea son conocidas. Estas fuerzas son llamas S1, S2, S3 y S4 y se muestran en la figura 3.4.
44
Figura 3.4. Casos para el cálculo de la tensión en el cable en los extremos de la línea.
45
Los datos tomados del levantamiento de la línea, la selección del cable y suposiciones que se mencionarán posteriormente sugeridas por Schneigert (op.cit.), fueron introducidos en las ecuaciones anteriores. Estos datos son: h l q
= = =
365,00 m 1.704,48 m 4,25 Kg/m
So
=
4.000,00 Kg
Qw Qo w
= = =
825,00 Kg 300,00 Kg 88,75 m
w
=
0,04
=
0,03
= = = = =
1.743,12 m 2 9,80 m/s 10,00 2 0,25 m/s 12,09 º
l' g n p
Diferencia de nivel Distancia horizontal de la línea Peso unitario del cable Carga de tensión (generado por el sistema tensor) -sugeridoPeso de una cabina cargada completamente Peso de una cabina vacía Distancia entre cabinas Coeficiente de fricción para la línea cargada -sugeridoCoeficiente de fricción para la línea vacía -sugeridoDistancia inclinada de la línea Gravedad Número de cabina (en cada lado de la línea) Aceleración Gradiente de la línea
Schneigert (1.966) afirma que la carga generada por el sistema tensor (So) debe ser entre 4.000 y 7.000 Kg, el coeficiente de fricción para la línea completamente cargada (
w)
se ubica entre 0,035 y 0,05 y, para la línea sin cargas ( ), entre 0,028 y 0,032.
Además afirma que la aceleración o desaceleración (p) debe ser hasta 0,5m/s2. Se obtuvieron los resultados de la tabla 3.6. Tabla 3.6. Valores de las componentes de fuerza. A
w o prima
B
C
D
1551 1728 612,4 399,4 1551 628,2 305,3 265,5 1099 917,8 665
Estos valores fueron evaluados para cada uno de los 8 casos y se obtuvieron las tensiones en los extremos de la línea (tabla 3.7). Con esto fue posible calcular las fuerzas que actúan en el cable (tensión) de manera general, en cualquier punto de la línea.
46
Tabla 3.7. Valores de tensión en los extremos de la línea. CASO S1 S2 S3 S4 U [kg] 4000 6739 5609 4000 1131 1 2391 6682 4000 2391 2682 2 -291 4000 4000 2391 2682 3 4000 8291 8291 6682 2682 4 4000 6750 6267 4000 483 5 1733 4483 4000 1733 483 6 1250 4000 4000 1733 483 7 4000 6750 6750 4483 483 8
El cálculo de U representa la fuerza tangencial por efecto de la diferencia de tensiones entre un lado y el otro de la línea, debido al cambio del sentido del cable al pasar por la polea que transmite la potencia o la que trasmite la tensión, dependiendo del caso. U = T1 – T2
(16)
En la tabla 3.7, una de las fuerzas de tensión tiene valor negativo y otros 7 valores están por debajo de la tensión mínima del cable, determinada en este caso por la carga ejercida por el sistema tensor que es 4.000 Kg. Estas tensiones mínimas fueron ajustadas incrementándolas adecuadamente de manera que igualaran a la tensión mínima ejercida por el sistema tensor. Los ajustes realizados se muestran en la tabla 3.8. Tabla 3.8. Valores de tensión en los extremos de la línea ajustados. CASO Incremento S1 S2 S3 S4 So (ajustado) 1 0 4000 6739 5609 4000 4000 2 1609 4000 8291 5609 4000 5609 3 4291 4000 8291 8291 6682 8291 4 0 4000 8291 8291 6682 4000 5 0 4000 6750 6267 4000 4000 6 2267 4000 6750 6267 4000 6267 7 2750 4000 6750 6750 4483 6750 8 0 4000 6750 6750 4483 4000
Una vez realizado los ajustes, se obtuvieron nuevos valores para la tensión del cable So para cada caso en particular. Debido a que no se ha definido en este trabajo la ubicación de la polea impulsora y del sistema tensor, se toma el valor del caso más desfavorable. El caso más desfavorable en la tabla 3.8 es cuando las cargas sólo se 47
encuentran del lado de subida y tanto la polea tensora como la impulsora se encuentran en la estación superior (caso número 3), con un valor de 8.291 Kg de tensión, que equivalen a 81.33 KN.
Comprobación de la selección del cable Con el valor de la tensión obtenida, se sumaron al mismo las cargas estimadas inicialmente para la selección del cable (13) y este total fue multiplicado por el factor de seguridad de 5, resultando: Qt = (161,87 + 81.33) KN * 5 = 1.216 KN
(17)
Con este nuevo valor de carga, se verificó que:
Carga total en el sistema (Qt) < Carga mínima de rotura del cable (1.960 KN) Con esto se comprobó que el cable soporta las cargas a las que será sometido durante su operación. Schneigert (1.966) afirmó que la carga de tensión generada por el sistema tensor puede variar entre 4.000 a 7.000 Kg. Por tal motivo se verificó que para 7.000 Kg el cable también resiste las cargas generadas. Debido a que las ecuaciones para el cálculo de la tensión son lineales, un incremento de 3.000 Kg en So en la entrada de datos generará la misma proporción de incremento en las tensiones, las mismas diferencias de ajuste y finalmente las tensiones máximas incrementarán 3.000Kg. El nuevo valor de la tensión máxima es 11.290.64 Kg. en el mismo caso 3. Lo que equivale a 110,76 KN. Realizando la misma operación que en (17), se obtiene que la suma de todas las cargas, con factor de seguridad de 5, es 1.363,13 KN.
48
De igual manera se comprueba que el cable puede resistir las cargas al aumentar la tensión hasta 7.000 Kg.
Trazado de las catenarias en el plano del perfil Una vez determinada la tensión del cable, se calculó el valor de las deflexiones máximas en cada tramo de la línea para poder dibujar las catenarias. El comportamiento del cable, sin ninguna carga en línea y moviéndose a velocidad constante, puede considerarse como una catenaria fija en los extremos, cuya deflexión máxima puede ser calculada con la fórmula (16) antes descrita. Los valores arrojados se muestran en la tabla 3.9.
Tabla 3.9. Deflexiones máximas en cada tramo debido al peso del cable Tramo
Deflexiones máximas por efecto del peso del cable [m]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0,007 4,709 1,991 2,980 1,564 1,205 0,160 1,557 0,321 0,315 0,651 1,110 1,415 0,483 0,038 0,007
49
Con los valores del punto deflexión, se procedió a dibujar, en el plano del perfil (línea color verde, apéndice 3), la catenaria que pasa por los puntos extremos y los puntos antes calculados de cada tramo de la línea. El trazado de estas curvas es de suma importancia ya que permite representar el comportamiento aproximado del cable en la realidad. Posteriormente, se calculó la deflexión máxima producida por las cargas que se desplazan a lo largo de la línea. La O.I.T.A.F. (op.cit.), en el punto 2.1.5, sugiere que si no se ha realizado un estudio del comportamiento dinámico del teleférico, es posible estimar la oscilación producida por la arrancada y/o frenada y la circulación de las cargas por el sistema, incrementando en un 20% la deflexión máxima calculada para la velocidad constante. Los resultados se muestran en la tabla 3.10. Tabla 3.10. Deflexiones máximas en cada tramo debido a los efectos dinámicos y las cargas. Deflexiones máximas por efecto de las Tramo cargas[m] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0,008 5,651 2,390 3,576 1,877 1,446 0,192 1,868 0,385 0,378 0,781 1,332 1,698 0,579 0,046 0,008
50
Luego, las catenarias fueron dibujadas en el plano del perfil de la línea con las deflexiones máximas calculadas para las cargas (línea de color azul, apéndice 3). Para verificar de manera más fácil que se cumple con la norma referente al espacio libre entre las cabinas y el suelo, se proyectó la línea del perfil del terreno hacía arriba 3 metros, indicando el espacio mínimo necesario (línea color marrón en el plano, apéndice 3). También se proyectaron 4 metros hacia abajo las catenarias formadas por efecto de la circulación de las cabinas, representando el recorrido de la parte más baja de las mismas a lo largo de la línea (línea color amarilla en el plano, apéndice 3). Debido a que estas dos proyecciones no se cruzan, excepto en ambas estaciones y en el tramo entre las torres 14 y 15, en donde se deberán tomar medidas especiales para garantizar la seguridad, se pudo verificar de manera clara que cumple con el espacio mínimo entre las cabinas y el terreno a lo largo de la línea.
Capacidad de transporte La capacidad de transporte esta definida por la cantidad de personas que puede desplazar el teleférico desde la estación inferior hasta la superior o viceversa, en un tiempo determinado. Es directamente proporcional a la velocidad y la capacidad de las cabinas e inversamente proporcional al espaciamiento de ellas a lo largo de la línea. Para determinar la capacidad, se utilizaron ciertos parámetros que ya se han calculado y otras suposiciones realizadas posteriormente. Hasta este momento se asignaron parámetros característicos del sistema teleférico, los cuales son necesarios para el cálculo de la capacidad. Estos parámetros son: la longitud total del teleférico (d=1.775 m), la cantidad de cabinas en el sistema (N=20) y la cantidad de personas por cabina (p=7). Es necesario definir la velocidad de desplazamiento del cable. La O.I.T.A.F. plantea en su punto 2.3.1 que la velocidad de las cabinas en el andén no debe exceder de 1,5m/s cuando los pasajeros abordan y desabordan las cabinas. Adicionalmente, una de 51
las intenciones del teleférico es proporcionar a los turistas un contacto más cercano con la naturaleza y brindarles la oportunidad de tener un suave paseo por las copas de los árboles. Es por eso se propuso que la velocidad de las cabinas (v) sea de 1m/s. Esto trae la ventaja que los usuarios pueden abordar y desabordar las cabinas mientras que éstas se encuentran en movimiento y sin la necesidad de desengancharlas del sistema. El andén tiene una distancia adecuada para cumplir la norma 4.5.3 de la O.I.T.A.F., la cual indica que las plataformas de abordaje deben ser horizontales y paralelas al cable y que debe tener al menos una distancia en metros de 5 veces la velocidad de las cabinas. Los tramos que incluyen las estaciones y en donde estarán ubicados los andenes, tienen una longitud de 10 metros por cada lado de la línea, lo que suma 20 metros para realizar las operaciones. Si fuese necesario incrementar en la etapa de diseño el andén para la comodidad de los usuarios y operadores, es posible hacerlo ya que el área en donde están ubicadas las estaciones es suficientemente amplia como para hacerlo. Se realizaron los cálculos para la capacidad del teleférico: •
El tiempo de recorrido (en un sentido)
t =
L * v
60s
1.775m * 1m / s = 29,58 min 60 s
=
(18)
donde t: tiempo L: longitud de la línea v:
•
velocidad de las cabinas
Distancia entre cabinas: d c =
2 * L N
=
2 *1775m = 177,5m 20
donde d c: distancia entre cabinas 2*L: longitud total de la línea en ambos sentidos N: número de cabinas en el sistema.
52
(19)
•
Tiempo entre cabinas (tiempo de espera en andén):
t c =
d c v * 60 min
=
177,5m = 2,96 min = 3 min 36s 1m / s * 60 s / min
(20)
donde t c: tiempo entre cabinas. •
Cantidad de cabinas por hora:
ch =
60 min t c
=
60 min cabinas = 20,27 ≈ 20 2,96 min h
(21)
donde c h: cantidad de cabinas por hora. •
Capacidad del teleférico:
Ct = P * ch = 7 * 20 = 140
personas h
53
(22)
CAPITULO IV ANALISIS DE RESULTADOS La ubicación propuesta para la estación superior se encuentra en la cima de una colina bastante amplia conocida por los lugareños como “La Loma de Eusebio”. Tiene un área aproximada de 10.000 m2 y está localizada en la fila de la montaña. Esta área es suficientemente amplia como para alojar las instalaciones del sistema teleférico y para desarrollar infraestructuras con atractivos turísticos como caminerías, plazas, cafetines, entre otros. Además es de muy fácil acceso ya que se encuentra en el borde de la carretera que va bordeando al Parque Nacional Macarao a lo largo de la fila de la montaña, lo que facilitaría la instalación de la estación y sus componentes. La ubicación propuesta para la estación inferior se encuentra a los pies de la montaña, en la cuenca del Río San Pedro, en un área aproximada de 10.800 m2. Ahí pueden ser ubicadas tanto las instalaciones del teleférico como los talleres mecánicos, el lugar para el almacenaje de las cabinas, estacionamientos, taquillas, oficinas administrativas entre otros. También es de muy fácil acceso, ya que se encuentra al borde de la carretera que sigue el cauce del Río San Pedro, lo que facilitaría la construcción de las instalaciones y permitiría a los futuros visitantes llegar con facilidad a la estación. El tramo comprendido entre las torres 6 y 7 se encuentra en la cima de una colina cuya extensión es de aproximadamente 3.570 m2. Esta área puede ser considerada, en el momento en que el proyecto se encuentre en la mesa de diseño, para la colocación de una estación intermedia, donde los visitantes puedan descender de las cabinas y disfrutar de atractivos adicionales. Dicho punto sería ideal para la instalación de un mirador, debido a su particular ubicación con la vista de un paisaje atractivo. También puede ser un punto estratégico a considerar en la planificación de paseos en medio de la naturaleza. La velocidad de operación propuesta para el teleférico, permite el embarque y desembarque de los usuarios sin necesidad de realizar paradas en el sistema. Este aspecto puede ser tomado en cuenta al considerar la estación intermedia, ya que los visitantes 54
pueden hacer la parada en dicho punto y descender de la cabina mientras la misma se encuentra en movimiento. Las ubicaciones propuestas para la instalación de las torres de soporte del teleférico, en su mayoría, fueron en zonas en donde el acceso es posible o poco complicado actualmente. Estas zonas son atravesadas en su mayoría por caminos y senderos hechos por deportistas que se ejercitan por estas montañas en bicicletas o caminando. Adicionalmente, el efecto de la erosión generado por las aguas de lluvia que corren por estos caminos, se ha encargado de ensancharlos cada vez más lo que, en algunos casos, facilita el acceso de maquinarias hasta estos puntos. Asignar una altura normalizada para todas las torres (15 metros), reducirá la cantidad de cálculos a realizar en la etapa de diseño de las mismas, ya que será necesario adaptar sólo los cabezales de las torres, entiéndase, el conjunto de travesaño con poleas donde se soporta el cable, para cada posición particular. De las 15 torres en el sistema, 3 de ellas difieren de las demás en la altura. La torre número 1 y la torre número 15 se les asignó una altura de 4,5 metros, debido a que son las últimas antes de llegar a las estaciones terminales y nivelan horizontalmente el movimiento del cable con las poleas de tracción y de tensión y, a las cabinas con el suelo para permitir el abordaje y desembarque de los pasajeros. La torre 14 se le asignó una altura de 10,7 metros para no sobrepasar la altura de la torre 15 y así ayudar a la nivelación del cable y las cabinas en la llegada al terminal. En el tramo entre la torre 14 y la 15, la norma sobre la distancia mínima de 3 metros entre las cabinas y el terreno no se cumple debido a los cambios de alturas de las torres. Por tal motivo se debe restringir el la circulación de las personas por el terreno en la zona donde las cabinas disminuyen la distancia al suelo y deja de ser segura. La torre número 1 debe ser de tipo de retención, ya que la pendiente del cable en el tramo siguiente es sustancialmente mayor que el inicial, lo que produce mayor empuje del cable hacia arriba por efecto de la tensión. Las torres 4, 8 y 10 deben ser de tipo de 55
doble efecto, debido a que el cable ejerce fuerza hacia abajo por efecto del peso de las cabinas cuando éstas circulan por los tramos previos y posteriores a dichas torres y, también ejerce fuerza hacia arriba por efecto de la tensión al momento en que no se encuentran cabinas circulando por los tramos previos y posteriores. La mayor parte de la ruta propuesta se encuentra en terrenos en donde la vegetación existente es de tipo sabana. Este hecho es una gran ventaja ya que, entre los proyectos que impulsa la empresa Minalba, se encuentra estipulada la reforestación de todas estas zonas. El plan de reforestación puede diseñarse en función de la ruta del teleférico, de manera que el bosque crezca planificadamente a los lados de la línea y se reduzca la tala y poda de los árboles para mantener libre la ruta. Esto reforzaría el compromiso por parte de las empresas involucradas en el proyecto de conservar los recursos naturales y reducir el impacto ecológico. Las condiciones climatológicas a las que se someten los teleféricos en todo el mundo, en muchos casos, son adversas, ya que tienen que soportar altas variaciones de temperatura y grandes ráfagas de vientos, así como la acumulación de hielo y nieve a lo largo de la línea, especialmente cuando son instaladas en altas montañas o en lugares donde hay cambios de estaciones del clima a lo largo del año. Uno de los elementos en particular donde se evidencia mayormente este maltrato, son los cables, ya que estos sufren compresiones y dilataciones térmicas, con el uso, acortan la vida de los mismos. El cable propuesto para este trabajo, ha sido diseñado para soportar dichas condiciones adversas. Sin embargo, las condiciones climatológicas a las que será sometido en San Pedro de los Altos son sustancialmente más estables, ya que las temperaturas promedio al año oscilan entre 13 y 25ºC a lo largo del año y no existe la formación de nieve y/o hielo. Esto trae como consecuencia menor deformación térmica lo que aumentará la vida útil del cable y su aprovechamiento será mayor. Los cálculos realizados para de la tensión en el cable, muestran la tensión que debe soportar el mismo para condiciones extremas de cargas en subida o en bajada, así como la ubicación de la polea impulsora y el sistema tensor. Debido a que es parte del 56
proceso de diseño del teleférico, la ubicación de estos dos últimos componentes no se ha definido. Es por eso que se utilizó el valor de mayor tensión para comprobar que el cable seleccionado soporta los requerimientos de carga durante la operación. Sin embargo, comúnmente se emplea la configuración de polea impulsora en la estación superior y sistema tensor en la inferior. De ser esta la selección para este proyecto, la tensión en el cable es menor y el cable seleccionado sigue cumpliendo con los requerimientos de carga y no hay necesidad de nuevos cálculos para una nueva selección.
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CONCLUSIONES Mediante este estudio de factibilidad técnica se determinaron los siguientes parámetros: •
Ubicación y extensión de la ruta y su gradiente
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Ubicación de las estaciones terminales, superior e inferior
•
Opción de una estación intermedia, como valor agregado al proyecto
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Tipo de teleférico a emplear
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Ubicación y altura de las torres de soporte
•
Dimensiones y características técnicas del cable portante-trayente
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Capacidad de transporte y tiempo de recorrido
Cómo resultado del análisis sintético del conjunto de estos parámetros, se obtiene un sistema teleférico monocable portante-trayente, de circulación continua, con veinte cabinas de anclaje fijo con capacidad para seis personas más guía. La velocidad de viaje de las cabinas es de 1 m/s con un tiempo aproximado de recorrido total de 30 min. La capacidad de transporte es de 140 personas por hora. Este sistema tendrá una longitud de 1.775 m, con un gradiente total de 365 m y 15 torres en el trayecto. El cable seleccionado es fabricado por la compañía Fatzer, modelo 6x36 WS compactado de 33 mm de diámetro. Como colofón de este de estudio se realizó una representación gráfica del sistema propuesto, la cual presenta la ruta seleccionada con sus estaciones. También se puede concluir que este proyecto, de gran envergadura, traerá grandes beneficios socioeconómicos a la comunidad de San Pedro de los Altos, generando empleo y progreso para sus pobladores. Por otra parte, Empresas Polar profundizará su aporte social a la comunidad, impulsando la conservación del ambiente y la conciencia ecológica.
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RECOMENDACIONES •
Realizar estudios de suelo en las zonas en donde se ubicarán las instalaciones del teleférico para comprobar que el terreno sea capaz de soportar el peso de dichas instalaciones. Dicho estudio no se elaboró ni se encontró entre los estudios y data preexistentes para el momento de la elaboración de este trabajo.
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Realizar el estudio de factibilidad económica, puesto que el proyecto es de gran envergadura.
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Se recomienda un diseño de cabinas abiertas el cual permita a los usuarios interactuar con la naturaleza. Además que tenga asientos retráctiles, de manera que permita el rápido abordaje y los usuarios puedan moverse dentro de la cabina con facilidad.
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Es importante que el proyecto de reforestación, llevado a cabo por la planta Minalba, incluya reconstrucción de la vegetación destruida a la hora de apertura de vías de acceso para la instalación de las torres y otros componentes.
•
Este es un proyecto que debe ser abordado por un equipo multidisciplinario, ya que involucra estudios geográficos, de suelos, de obras civiles, ambientales, propios de otras áreas de la ingeniería.
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BIBLIOGRAFÍA •
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Schneigert, Zbigniew (1971). Calculation of rope tensions using linear equation method. International Ropeway Review, Vol. 13 (1); 8-11
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Fatzer AG. (2001). Catálogo de productos 2001. Suiza.
•
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APÉNDICES
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APÉNDICE 1 Plano topográfico con rutas propuestas
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APÉNDICE 2 Plano de vegetación con rutas propuestas
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APÉNDICE 3
Plano de levantamiento del perfil del teleférico
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APÉNDICE 4
Ejemplo de teleférico similar al estudiado Teleférico “Sky Tram Arenal”, La Fortuna El Castillo, Costa Rica. Longitud: 1235m, Velocidad: 3 m/s. Capacidad: 135 P/h
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APÉNDICE 5
Cuadro para la selección del cable según el tipo de teleférico. Catálogo de productos 2001, FATZER
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APÉNDICE 6
Tabla de cargas mínimas de rotura y características del cable 6x36WS Tabla de cargas mínimas de rotura y características del cable compacta 6x36 WS compactado, de la empresa FATZER
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1 0 0 2 / 1 1
ROPE SELECTION
4.01
Choosing the right rope A precondition for a long lifetime and good performance is the correct choice of rope. The outer wire diameter, the design, the stranding method and the wire strength are among the parameters that have to be defined.
The table given below is a useful aid when deciding on which type of rope to use.
Ropeway systems Unidirectional ropeway Monocable
Track rope Carrying rope
4.09–4.18 4.20–4.22
Revers. ropeway Multicable
Multicable
4.23 –4.26
4.23 –4.26
Funicular
4.11–4.18 4.20–4.22
Hauling rope
Ski-tow
4.08–4.11 4.19–4.20 4.11–4.18 4.20–4.22
4.11–4.18 4.20–4.22
4.11-4.18 4.20-4.22
Tension rope
4.28
4.28
4.28
4.28
4.28
Telephone and Signal cable
4.03–4.05 4.29–4.30
4.03–4.05 4.29–4.30
4.03–4.05 4.29–4.30
4.03–4.05 4.29–4.30
4.03
Winch rope Rescue rope
4.08–4.11 4.19–4.20
