diseño estructural, transporte de carbón
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Diseño estructural, tren de transporte para carbón, para el abastecimiento de Calderas, Hospital Regional de Valdivia, ChileTRANSCRIPT
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Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil Mecánica
“OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE
ABASTECIMIENTO DE CARBÓN” HOSPITAL BASE VALDIVIA
VALDIVIA
CHILE
17 de Julio 2012
AUTORES:
Cristian Herbert Aguilar Surot
Flaminio Iván Becerra Díaz
Felipe Octavio Cazaux Soto
Hardy Gary Muñoz Soto
PROFESORES: Héctor Noriega Fernández
Roberto Cárdenas Parra
Rolando Ríos Rodríguez
Licenciatura en Cs. de la Ingeniería - V Semestre
Facultad de Cs. de la Ingeniería
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RESUMEN EJECUTIVO
El actual sistema suele presentar dificultades, bajo ciertas condiciones operacionales para abastecer la
caldera en uso, cuando eventualmente se presentan fallas en el tecle eléctrico o trolley que se encuentra
operativos, lo cual interrumpe el funcionamiento de la caldera. Debido a esto, se intercambian los tecles
y/o trolley (se intercambia el defectuoso por el que funciona bien). Proceso que causa tiempos muertos en
el abastecimiento, disminuyendo la entrega de vapor a sólo esterilización, impidiendo la utilización de
calefacción y agua caliente mientras se soluciona el problema.
El equipo de diseño, preocupado en dar una solución de calidad, establece un proceso de diseño, en
el cual mediante el análisis de los requerimientos de los clientes involucrados, determina las
especificaciones de ingeniería para generar conceptos que determinarán el desarrollo de un producto que
garantice una solución satisfactoria.
La solución diseñada (Figura 1), cuenta con la utilización de gran parte de la estructura de
abastecimiento actual, donde se une ambos rieles rectos por medio de un riel curvo, permitiendo la
utilización de un tecles y trolley eléctrico existente (dejando un par en reserva para emergencias),
modificando la línea de abastecimiento eléctrico. El costo total de materiales a utilizar asiendo al monto de
$528.051, incluyendo pinturas y transporte de materiales hacia Valdivia.
Figura 1: Solución diseñada
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ÍNDICE GENERAL
RESUMEN EJECUTIVO .....................................................................................................................................3
ÍNDICE DE TABLAS ..........................................................................................................................................8
ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................................9
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................12
1. DISEÑO DEL PROBLEMA .....................................................................................................................13
1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ...................................................................................................................13 1.2. PROBLEMÁTICA ...................................................................................................................................13 1.3. OBJETIVOS .........................................................................................................................................13
1.3.1. Objetivos generales ................................................................................................................13 1.3.2. Objetivos específicos ..............................................................................................................13
1.4. FRONTERAS DEL PROYECTO ....................................................................................................................13
2. PROCESOS DE DISEÑO ........................................................................................................................14
3. DESCUBRIMIENTO DEL PRODUCTO ....................................................................................................16
3.1. CREACIÓN, EVALUACIÓN Y JERARQUIZACIÓN DE CRITERIOS DE ELECCIÓN ...........................................................16
4. PLANIFICACIÓN DEL PROYECTO .........................................................................................................18
5. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO ..............................................................................................................19
5.1. PASO 1: IDENTIFICACIÓN DE LOS CLIENTES .................................................................................................19 5.2. PASO 2: IDENTIFICACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DE LOS CLIENTES................................................................19
5.2.1. Identificar la información necesaria .......................................................................................19 5.2.2. Métodos de recopilación de datos ..........................................................................................20 5.2.3. Contenido de las preguntas ....................................................................................................20 5.2.4. Diseño de las preguntas .........................................................................................................20 5.2.5. Orden de las preguntas ..........................................................................................................20 5.2.6. Obtención de datos ................................................................................................................20 5.2.7. Reducir la información ...........................................................................................................21
5.3. PASO 3: DETERMINAR IMPORTANCIA RELATIVA DE LOS REQUERIMIENTOS .........................................................21 5.4. PASO 4: IDENTIFICAR Y EVALUAR LA COMPETENCIA ......................................................................................21 5.5. PASO 5: GENERAR ESPECIFICACIONES INGENIERILES .....................................................................................22 5.6. PASO 6: RELACIONAR REQUERIMIENTOS INGENIERILES CON LAS ESPECIFICACIONES ..............................................23 5.7. PASO 7: ESTABLECER OBJETIVOS DE ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA Y SU IMPORTANCIA ....................................23
5.7.1. Importancia de las especificaciones ........................................................................................23 5.7.2. Medir qué tan bien la competencia cumple las especificaciones .............................................24 5.7.3. Ajustar metas a cumplir, de las especificaciones .....................................................................24
5.8. PASO 8: IDENTIFICACIÓN DE LAS RELACIONES ENTRE LAS ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA ...................................25
6. DISEÑO CONCEPTUAL.........................................................................................................................27
6.1. COMPRENDIENDO LA FUNCIÓN DEL PRODUCTO EXISTENTE ............................................................................27 6.1.1. Definiendo la función .............................................................................................................27 6.1.2. Ingeniería inversa ...................................................................................................................27
6.1.2.1. Paso 1: Para todo el producto, examinar las interfaces con otros objetos ............................................ 27 6.1.2.2. Paso 2: Remover un componente para un estudio detallado ................................................................ 27 6.1.2.3. Paso 3: Examinar cada interfaz para encontrar el flujo de energía, información y/o materia ............. 28
6.2. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL ...............................................................................................................30 6.2.1. Paso 1: Encontrar la función general que se debe realizar ......................................................30 6.2.2. Paso 2: Generar descripciones de las subfunciones .................................................................30 6.2.3. Paso 3: Ordenar las subfunciones ...........................................................................................31
6
6.2.4. Paso 4: Refinación de las subfunciones ...................................................................................31 6.3. GENERACIÓN DE CONCEPTOS .................................................................................................................32
6.3.1. Método Morfológico ..............................................................................................................32 6.4. EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE CONCEPTOS .................................................................................................34
6.4.1. Matriz de decisión – Método de Pugh.....................................................................................34 6.4.1.1. Paso 1: Establecer el tema........................................................................................................................ 34 6.4.1.2. Paso 2: Seleccionar las alternativas a ser comparadas ........................................................................... 34 6.4.1.3. Paso 3: Elegir criterios para la evaluación ............................................................................................... 34 6.4.1.4. Paso 4: Desarrollar una ponderación de importancia relativa ............................................................... 35 6.4.1.5. Paso 5: Evaluar las alternativas ................................................................................................................ 35 6.4.1.6. Paso 6: Calcular la satisfacción y decidir qué hacer a continuación ....................................................... 35
7. DESARROLLO DEL PRODUCTO ............................................................................................................37
7.1. GENERACIÓN DE LA FORMA....................................................................................................................37 7.1.1. Restricciones espaciales .........................................................................................................37 7.1.2. Configuración de componentes ..............................................................................................38 7.1.3. Desarrollo de conexiones ........................................................................................................40
7.1.3.1. Soldaduras ................................................................................................................................................. 40 7.1.3.2. Pernos ........................................................................................................................................................ 41
7.1.4. Lista de materiales (BOM) ......................................................................................................41 7.2. EVALUACIONES ...................................................................................................................................42
7.2.1. Evaluación del riel curvo .........................................................................................................42 7.2.2. Evaluación de la unión para marco .........................................................................................43 7.2.3. Evaluación de pernos .............................................................................................................44 7.2.4. Seguridad en la operación ......................................................................................................44
8. MEMORIA DE CÁLCULO ......................................................................................................................45
8.1. CÁLCULO DE CARGAS ............................................................................................................................45 8.1.1. Cargas muertas ......................................................................................................................45 8.1.2. Cargas vivas ...........................................................................................................................45 8.1.3. Fuerza horizontal en los rieles de una viga porta-grúa H ........................................................46 8.1.4. Cargas eventuales ..................................................................................................................46
8.2. ANÁLISIS ESTÁTICO ..............................................................................................................................46 8.3. FACTOR DE SEGURIDAD .........................................................................................................................50
8.3.1. Estimación de la contribución para el material .......................................................................50 8.3.2. Estimación de la contribución para el esfuerzo de carga .........................................................50 8.3.3. Estimación de la contribución de la geometría .......................................................................50 8.3.4. Estimación de la contribución para el análisis de fallas ...........................................................51 8.3.5. Estimación de la contribución para la confiabilidad ................................................................51 8.3.6. Presentación del factor de seguridad......................................................................................51
8.4. ELECCIÓN Y CÁLCULO DE SOLDADURA .......................................................................................................52 8.4.1. Selección del tipo de electrodo ...............................................................................................52 8.4.2. Tipo de soldadura ...................................................................................................................53 8.4.3. Cálculo de cantidad de soldadura a utilizar ............................................................................54
8.5. ELECCIÓN Y CÁLCULO DE PERNOS .............................................................................................................56 8.5.1. Análisis estático .....................................................................................................................56 8.5.2. Análisis de fatiga ....................................................................................................................56
8.5.2.1. Análisis de fatiga para perno M10 ........................................................................................................... 56 8.5.2.2. Análisis de fatiga para perno M20 (grado 8.8) ........................................................................................ 57
8.5.3. Posicionamiento de los pernos ...............................................................................................59 8.6. CÁLCULO DE PINTURA ...........................................................................................................................60 8.7. ANÁLISIS DE PERNOS A TRAVÉS DE DISEÑO EXPERIMENTAL .............................................................................61
8.7.1. Datos para análisis en STATGRAPHICS ....................................................................................62 8.7.2. Hipótesis ................................................................................................................................62
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8.7.3. Resultados y discusión ............................................................................................................62 8.7.4. Cálculos de los componentes del modelo ................................................................................63 8.7.5. Gráfico de superficie de respuesta ..........................................................................................63 8.7.6. Conclusión ..............................................................................................................................64
8.8. CALCULO DE CANTIDAD DE PLANCHA A UTILIZAR: .........................................................................................64 8.9. LÍNEA DE ABASTECIMIENTO ELÉCTRICO ......................................................................................................65 8.10. RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS ............................................................................................................66
8.10.1. Esfuerzos (análisis en caso desfavorable) ...............................................................................66 8.10.2. Desplazamientos ...................................................................................................................68
8.10.2.1. En eje x .................................................................................................................................................... 68 8.10.2.2. En eje y .................................................................................................................................................... 69 8.10.2.3. En eje z .................................................................................................................................................... 69 8.10.2.4. Deformación de la estructura ................................................................................................................ 70 8.10.2.5. Diagrama de esfuerzos (en caso desfavorable) ..................................................................................... 70 8.10.2.6. Esfuerzos (segundo caso) ....................................................................................................................... 71
9. SOPORTE DEL PRODUCTO ..................................................................................................................73
9.1. INFORMACIÓN AL CLIENTE .....................................................................................................................73 9.1.1. Cotizaciones ...........................................................................................................................73 9.1.2. Planos ....................................................................................................................................73
9.2. RECOMENDACIONES.............................................................................................................................74 9.2.1. Pasos para el ensamble ..........................................................................................................74 9.2.2. Pasos para la ejecución de soldadura .....................................................................................74
10. LOGROS ..............................................................................................................................................75
11. ANEXOS ..............................................................................................................................................76
10.1. ANEXO 1: TABLA DE BUENAS PRÁCTICAS ...............................................................................................76 10.2. ANEXO 2: ELECCIÓN DE UN PROYECTO .................................................................................................76
10.2.1. Creación de criterios de elección ............................................................................................76 10.2.2. Evaluación de criterios ...........................................................................................................77 10.2.3. Justificación del análisis FODA 1 ............................................................................................78 10.2.4. Justificación análisis FODA 2 ..................................................................................................80
10.3. ANEXO 3: VISITAS ...........................................................................................................................81 10.3.1. Visita N° 1 ..............................................................................................................................81 10.3.2. Visita N° 2 ..............................................................................................................................83 10.3.3. Visitas no programadas .........................................................................................................86
10.4. ANEXO 4: RESPECTO A LA PLANIFICACIÓN .............................................................................................86 10.5. ANEXO 5: CUESTIONARIO .................................................................................................................92 10.6. ANEXO 6: TIPO DE ESPECIFICACIONES INGENIERILES .................................................................................94 10.7. ANEXO 8: EVALUACIÓN DE CRITERIO PARA MATRIZ DE PUGH .....................................................................94 10.8. ANEXO 9: RESPECTO AL DESARROLLO DEL PRODUCTO ..............................................................................96
10.8.1. Tablas de especificaciones técnicas de los fabricantes ...........................................................96 10.8.2. Tablas de pernos métricos .....................................................................................................97 10.8.3. Tablas para el factor de resistencia a la fatiga .......................................................................98 10.8.4. Análisis de fatiga para perno M10 ....................................................................................... 100
10.9. ANEXO 9: COTIZACIONES ................................................................................................................ 102
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................. 111
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ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1: TERCERA VERSIÓN CARTA GANTT .........................................................................................................................18 TABLA 2: UNIDADES Y SENTIDOS PARA LAS ESPECIFICACIONES ..................................................................................................23 TABLA 3: INGENIERÍA INVERSA, INTERFACES CON OTROS OBJETOS .............................................................................................28 TABLA 4: INGENIERÍA INVERSA, FLUJOS ..............................................................................................................................29 TABLA 5: MORFOLOGÍA .................................................................................................................................................33 TABLA 6: PONDERACIÓN DE CRITERIOS ..............................................................................................................................35 TABLA 7: MATRIZ DE PUGH ............................................................................................................................................36 TABLA 8: LISTA DE MATERIALES (BOM) .............................................................................................................................42 TABLA 9: ESPECIFICACIONES PERFIL IPN-200 ......................................................................................................................45 TABLA 10: PESOS DE CARGAS VIVAS ..................................................................................................................................45 TABLA 11: DATOS DE ANÁLISIS ESTÁTICO ............................................................................................................................49 TABLA 12: ELECTRODO E7018-RH ..................................................................................................................................53 TABLA 13: METROS LINEALES A SOLDAR .............................................................................................................................54 TABLA 14: CANTIDAD DE SOLDADURA EN LA ESTRUCTURA ......................................................................................................55 TABLA 15: RELACIÓN ENTRE CANTIDADES DE ELECTRODOS .....................................................................................................55 TABLA 16: CANTIDAD DE ÁREAS A PINTAR...........................................................................................................................61 TABLA 17: CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS Y MECÁNICAS DE PERNOS ......................................................................................61 TABLA 18: SÍMBOLOS PARA CICLOS Y PERNOS ......................................................................................................................62 TABLA 19: DATOS PARA ANÁLISIS .....................................................................................................................................62 TABLA 20: ANOVA ......................................................................................................................................................63 TABLA 21: COEF. DE REGRESIÓN PARA VIDA ÚTIL ..................................................................................................................63 TABLA 22: ÁREAS DE ATIESADORES ...................................................................................................................................64 TABLA 23: COSTOS DE MATERIALES ..................................................................................................................................73 TABLA 24: FUERZA REQUERIDA PARA MOVER TOLVAS ............................................................................................................75 TABLA 25: BUENAS PRÁCTICAS ........................................................................................................................................76 TABLA 26: EVALUACIÓN DE CRITERIOS ...............................................................................................................................77 TABLA 27: ANÁLISIS FODA 1 ..........................................................................................................................................78 TABLA 28: ANÁLISIS FODA 2 ..........................................................................................................................................80 TABLA 29: PRIMERA VERSIÓN DE CARTA GANTT ..................................................................................................................87 TABLA 30: SEGUNDA VERSIÓN DE CARTA GANTT .................................................................................................................88 TABLA 31: TIPO DE ESPECIFICACIONES INGENIERILES. ............................................................................................................94 TABLA 32: CRITERIOS, CONCEPTO 1 V/S DATUM ..................................................................................................................94 TABLA 33: CRITERIOS, CONCEPTO 2 V/S DATUM ..................................................................................................................95 TABLA 34: CRITERIOS, CONCEPTO 3 V/S DATUM ..................................................................................................................95 TABLA 35: CRITERIOS, CONCEPTO 4 V/S DATUM ..................................................................................................................95 TABLA 36: CRITERIOS, CONCEPTO 5 V/S DATUM ..................................................................................................................96 TABLA 37: ESPECIFICACIONES MÉTRICAS DEL TROLLEY ...........................................................................................................96 TABLA 38: ESPECIFICACIONES MÉTRICAS DEL TECLE ELÉCTRICO ................................................................................................97 TABLA 39: CARACTERÍSTICA DE LOS PERNOS SEGÚN SU NÚMERO, SU RESISTENCIA .......................................................................97 TABLA 40: CARACTERÍSTICAS DE PERNOS SEGÚN SU ÁREA DE ESFUERZO EN TRACCIÓN ...................................................................98 TABLA 41: COEFICIENTE DE CARGA SEGÚN EL TIPO DE CARGA ..................................................................................................98 TABLA 42: FACTORES INFLUYENTES EN LA FATIGA SEGÚN SU ACABADO SUPERFICIAL......................................................................98 TABLA 43: DIMENSIONES DE PERNOS ................................................................................................................................99 TABLA 44: DIMENSIONES DE TUERCAS ...............................................................................................................................99
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ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1: SOLUCIÓN DISEÑADA .........................................................................................................................................3 FIGURA 2: MODELO CASCADA (ULLMAN, 2010, PÁG. 114) ..............................................................................................14 FIGURA 3: UBICACIÓN AL INTERIOR DEL RECINTO EN AV. SIMPSON 850, VALDIVIA.......................................................................17 FIGURA 4: "TECHO" DE MATRIZ QFD ................................................................................................................................26 FIGURA 5: MATRIZ QFD ................................................................................................................................................26 FIGURA 6: FUNCIÓN GENERAL, TOP-LEVEL ..........................................................................................................................30 FIGURA 7: ESTRUCTURA SUBFUNCIONAL ............................................................................................................................31 FIGURA 8: ESTRUCTURA SUBFUNCIONAL REFINADA ...............................................................................................................32 FIGURA 9: RESTRICCIONES ESPACIALES ...............................................................................................................................38 FIGURA 10: UBICACIÓN DE LA ESTRUCTURA ........................................................................................................................39 FIGURA 11: CONJUNTO DE ELEMENTOS QUE INTERACTÚAN CON LA ESTRUCTURA .........................................................................40 FIGURA 12: SOLDADURA POR EXTREMOS ...........................................................................................................................40 FIGURA 13: ATIESADORES DE VIGA ...................................................................................................................................41 FIGURA 14: VISTA DE ELEVACIÓN, DISTANCIA MURO-RIEL CURVO .............................................................................................43 FIGURA 15: CONFIGURACIÓN ACTUAL, VIGAS UNIDAS POR ALAS...............................................................................................43 FIGURA 16: CONFIGURACIÓN NUEVA DE VIGA .....................................................................................................................43 FIGURA 17: SEÑALIZACIONES ..........................................................................................................................................44 FIGURA 18: SITUACIÓN A ANALIZAR ..................................................................................................................................46 FIGURA 19: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE ..........................................................................................................................47 FIGURA 20: DISTANCIAS Y CARGA APLICADA ........................................................................................................................47 FIGURA 21: DIAGRAMA DE CORTE ....................................................................................................................................48 FIGURA 22: DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR ..................................................................................................................49 FIGURA 23: DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS (VIGA SOMETIDA A FLEXIÓN) ....................................................................................49 FIGURA 24: SOLDADURA DE RANURA O BISEL “V” SIMPLE ......................................................................................................53 FIGURA 25: SOLDADURA DE FILETE ...................................................................................................................................53 FIGURA 26: LOG LIFE, PERNO M10 ..................................................................................................................................57 FIGURA 27: LOG LIFE, PERNO M20 ..................................................................................................................................59 FIGURA 28: POSICIONAMIENTO DE PERNOS ........................................................................................................................60 FIGURA 29: DIMENSIONAMIENTO UBICACIÓN DE PERNOS [MM] ..............................................................................................60 FIGURA 30: GRÁFICO DE SUPERFICIE DE RESPUESTA ..............................................................................................................64 FIGURA 31: CORTES A REALIZAR EN PLANCHA DE ACERO.........................................................................................................65 FIGURA 32: DISEÑO SOLUCIÓN LÍNEA DE ABASTECIMIENTO ELÉCTRICO.......................................................................................66 FIGURA 33: STRESS VON MISSES ......................................................................................................................................67 FIGURA 34: STRESS VON MISSES, ZONA CRÍTICA ..................................................................................................................67 FIGURA 35: STRESS VON MISSES, SOLUCIÓN .......................................................................................................................68 FIGURA 36: DESPLAZAMIENTO EN EJE X .............................................................................................................................68 FIGURA 37: DESPLAZAMIENTO EN EJE Y .............................................................................................................................69 FIGURA 38: DESPLAZAMIENTO EN EJE Z .............................................................................................................................70 FIGURA 39: DEFORMACIÓN VON MISSES ...........................................................................................................................70 FIGURA 40: DIAGRAMA DE ESFUERZOS ..............................................................................................................................71 FIGURA 41: ESFUERZO VON MISSES , SOBRE RIEL RECTO ........................................................................................................71 FIGURA 42: GRÁFICO DE ESFUERZO SOBRE RIEL RECTO ...........................................................................................................72 FIGURA 43: BOSQUEJO DIGITALIZADO DE PLANTA DE GALPÓN Y VIGAS .......................................................................................82 FIGURA 44: BOSQUEJO DIGITALIZADO DE VIGA ....................................................................................................................83 FIGURA 45: BOSQUEJO CON MEDIDAS ...............................................................................................................................84 FIGURA 46: BOSQUEJO PIE DERECHO CON MEDIDAS ..............................................................................................................85 FIGURA 47: TOLVAS DE LLENADO Y DESCARGA .....................................................................................................................86 FIGURA 48: GRAFICO PRIMERA CARTA GANTT .....................................................................................................................89
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FIGURA 49: GRAFICO SEGUNDA CARTA GANTT ....................................................................................................................90 FIGURA 50: GRÁFICO TERCERA CARTA GANTT, FINAL ............................................................................................................91 FIGURA 51: FACTOR DE CONCENTRACIÓN DE ESFUERZO GEOMÉTRICO .......................................................................................99 FIGURA 52: FACTOR Q VS. RADIO DE ENTALLE ................................................................................................................... 100 FIGURA 53: COTIZACIÓN VIGA IPN - 200......................................................................................................................... 102 FIGURA 54: COTIZACIÓN CILINDRADO DE VIGA ................................................................................................................... 103 FIGURA 55: COTIZACIÓN PLANCHA DE ACERO, SOLDADURAS ................................................................................................. 104 FIGURA 56: PERNO M20 CON TUERCA ............................................................................................................................ 105 FIGURA 57: ESMALTE EPÓXIDO AMARILLO Y DILUYENTE ....................................................................................................... 106 FIGURA 58: ANTICORROSIVO EPÓXICO ROJO ..................................................................................................................... 107 FIGURA 59: UNIÓN HEMBRA- MACHO VOLANTE................................................................................................................. 108 FIGURA 60: ABRAZADERAS ........................................................................................................................................... 108 FIGURA 61: COTIZACIÓN AMARRA CABLE ......................................................................................................................... 109 FIGURA 62: TRANSPORTE DE VIGA CILINDRADA .................................................................................................................. 110 FIGURA 63: TRANSPORTE DE VIGA RECTA ......................................................................................................................... 110
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INTRODUCCIÓN
El siguiente documento expone un proyecto de estudiantes de V semestre de Ing. Civil Mecánica de la
Universidad Austral de Chile, primera instancia con la posibilidad de aprender a partir de problemas
reales, método conocido como PBL (Problem Based leaning).
Se propone el diseño e implementación de mejoras técnicas al sistema de abastecimiento de
combustible sólido de las calderas del Hospital Base Valdivia, el cual utiliza dos calderas pirotubulares
escocesas de 5 000 [KgV/Hr], que cumplen la función de satisfacer las necesidades de vapor en todas sus
dependencias. Para su abastecimiento se disponen de dos estructuras independientes y paralelas entre si a
lo largo del galpón, con dirección desde la zona de acopio hacia las calderas. Cada estructura posee un
trolley y tecle eléctrico, los que izan y transportan una masa de carbón de 650 [Kg].
El proyecto mencionado es elaborado según el libro guía “The Mechanical Design Process”
(Ullman, 2010), en adelante se referenciará como “Ullman”, el cual enseña cómo elegir, planificar,
entender, conceptualizar, entre otros, para realizar un proyecto de calidad, explicando los pasos que
deberían tener un diseño mecánico.
Cabe destacar que durante el descubrimiento del producto (sección 3), se menciona que el
problema es de diseño estructural, sin embargo, cuando se realice la definición del producto (sección 5) se
solicita mantener la estructura existente, convirtiéndose así en un problema de optimización.
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1. DISEÑO DEL PROBLEMA
1.1. Definición del problema
El sistema de izamiento de carbón, bajo ciertas condiciones operacionales dificulta el abastecimiento de la
caldera.
1.2. Problemática
El abastecimiento de la caldera que se encuentra más retirada del sector de acopio del carbón, presenta
dificultades para los operarios, debido a que se requiere de esfuerzo humano para el traslado de la tolva de
carga hacia su respectivo punto de enganche.
Al presentarse algún tipo de falla en uno de los tecles eléctricos, se genera una situación compleja y
riesgosa, la cual consiste en el remplazo del tecle defectuoso por el que se encuentra en buen estado;
impidiendo durante este lapso de tiempo, la producción de vapor hacia el Hospital.
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivos generales
Optimizar el sistema de transporte de carbón para el abastecimiento de ambas calderas del Hospital Base
Valdivia.
1.3.2. Objetivos específicos
Analizar la situación actual del sistema.
Encontrar los objetivos que debe cumplir el diseño.
Generar soluciones y posterior elección.
Confeccionar memoria de cálculo, planos de manufactura y montaje de la estructura de
izamiento.
1.4. Fronteras del proyecto
Este proyecto está centrado en la estructura y equipos para el abastecimiento de carbón a la caldera, es
decir, no resolverá acerca del lugar de acopio del carbón, funcionamiento de la caldera, estructura del
galpón, cálculos de la fundación y características intrínsecas del trolley y tecle eléctrico.
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2. PROCESOS DE DISEÑO
Para empezar, se debe decidir el tipo de plan a utilizar. Existen muchos tipos de planes, entre ellos se
evaluarán dos de los más simples, el modelo de Cascada y el proceso en Espiral.
El proceso en Espiral, se centra en un concepto, continuando con el desarrollo de un prototipo, este
es evaluado por los clientes, luego se revisan los requerimientos entregados por ellos y se genera un
segundo prototipo. Este procedimiento se extiende reiteradamente hasta que el producto logre satisfacer a
los clientes.
Por otra parte, el modelo de Cascada (Figura 2), divide cada fase del diseño en un recuadro que
representa una piscina, para superar cada fase y comenzar otra se debe hacer a través de un proceso de
decisión en base a objetivos cumplidos. Este Modelo de fase a fase es un proceso de secuencia
unidireccional y al interior de cada etapa permite contener actividades ejecutadas en paralelo.
Figura 2: Modelo Cascada (ULLMAN, 2010, PÁG. 114)
Por el tipo de proyecto que se debe desarrollar, se opta por seguir el modelo de Cascada, ya que por
un lado, el proceso en Espiral exigiría trabajar de acuerdo a la elaboración de prototipos, lo cual es más
recomendable para diseño de software. Por otra parte, se encontró como fortaleza en el modelo de
15
Cascada que permite una visión clara de los pasos a seguir para diseñar un producto, gracias al desarrollo
secuencial y realización de labores en paralelo.
Consideración, a pesar de la secuencia unidireccional del método de la cascada, se toma la decisión
de poder retroceder en las fases, para modificar partes del diseño que se encuentren incompletas o
erróneas (ejemplo: tareas de Carta Gantt), ya que, con el transcurso del tiempo se obtendrá mayor
experiencia y conocimiento que permitirá lograr un diseño de mayor calidad.
Ya decidido el tipo de plan a utilizar, se realiza el proceso de diseño donde se toman en cuenta una
serie de actividades que se deben cumplir, considerando en su transcurso una correcta toma de decisiones,
además utilizando “las buenas prácticas” (Anexo 1: Tabla de buenas práctica, página 76) para así
satisfacer los requerimientos de los clientes.
Ullman establece una división de seis faces en este proceso, que van de acuerdo a las necesidades
del proyecto, las cuales se abordarán a continuación...
16
3. DESCUBRIMIENTO DEL PRODUCTO
Durante esta fase del proceso de diseño, el propósito es la elección de un proyecto, además se debe
establecer las necesidades que justifican el desarrollo del proyecto.
El primer paso para la elección adecuada de un proyecto, es elegir posibles candidatos, con este
motivo se pregunta a los miembros del equipo ¿qué proyecto deberíamos discutir?
Se llega al acuerdo de analizar solo dos de los doce proyectos, los cuales son:
1. “Sistema de izamiento de carbón para abastecimiento de caldera”.
2. “Galpón industrial con puente grúa”.
3.1. Creación, evaluación y jerarquización de criterios de elección
Luego de escoger posibles proyectos, se procede a la creación, evaluación y jerarquización de criterios de
elección, obteniendo lo siguiente:
1. Posibilidad de visitas a terreno.
2. Lo que se aprende es satisfactorio.
3. El problema satisface lo que se desea aprender.
4. El interés del grupo para realizar el proyecto.
5. Alta intensidad de la competitividad.
Realizando un análisis FODA, se acuerda en forma unánime por parte del equipo, escoger el
proyecto: “Optimización del sistema de abastecimiento de carbón, Hospital Base Valdivia”.
Es importante mencionar que no se realizó el análisis Pro-Con, ya que este método solicita tener la
habilidad de evaluar los criterios para eliminarlos, esto implica que evaluar de forma equivocada dichos
criterios desvaloriza el método. Otro motivo de no realizar el método es porque está diseñado para evaluar
si se efectuará el diseño del proyecto o no, es decir, se crea un proceso de descarte, lo cual, no es
conveniente porque no se posee esa alternativa, siendo el análisis FODA ideal para comparar fácilmente
entre dos proyectos y en caso de cometer error, se cometerá éste en ambos proyectos, anulando dicho
error.
Ver más detalles del procedimiento en Anexo 2: Elección de un proyecto.
Para continuar con el descubrimiento del proyecto, es necesaria la interacción del entorno donde el
producto se utilizará, junto con las personas involucradas. Para ello, se coordina la primera visita a la
planta de calderas del Hospital Base Valdivia (Figura 3). Detallada en Anexo 3: Visitas, Visita N° 1,
página 81 .
17
Figura 3: Ubicación al interior del recinto en Av. Simpson 850, Valdivia
18
4. PLANIFICACIÓN DEL PROYECTO
En esta fase se generará la planificación que se debe cumplir, con el fin de organizar las distintas partes
del diseño y del grupo. Para esto, se considerarán los recursos humanos y monetarios disponibles, tiempo
y equipamiento necesario.
El equipo, debe dividir responsabilidades entre sus miembros para un eficaz logro de metas.
Además, para una mayor eficiencia se decide asignar labores según las habilidades y destrezas de cada
integrante. Lo fundamental es crear un sistema de tareas que se deben ejecutar secuencialmente. Por ello,
se elabora una Carta Gantt, ya que permite obtener un listado calendarizado completo de las tareas y
quienes son responsables de llevarlas a cabo.
Se crea una primera versión de la Carta Gantt (Tabla 29, en Anexo 4: Respecto a la Planificación),
sin embargo, con la experiencia adquirida luego de conocer ciertos sectores, se decide mejorar ésta,
complementando con los conocimientos entregados paralelamente en sala de clases, generando en el
transcurso dos versiones más. A continuación, en Tabla 1 se presenta la versión final.
Tabla 1: Tercera versión Carta Gantt
En Anexo 4: Respecto a la Planificación (Página 86), se encuentra “Figura 48: Grafico primera
Carta Gantt”, “Figura 49: Grafico segunda Carta Gantt” y “Figura 50: Gráfico tercera Carta Gantt,
final”.
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5. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO
"Entender el problema de diseño es una base esencial para un producto de calidad"
(Ullman, 2010, pág. 143)
Sin entender el problema a solucionar, más aún, sin comprender la necesidad del cliente, es imposible
crear un producto de calidad. Por lo tanto, se debe seguir un procedimiento que asegure obtener una
mayor comprensión de la situación, para que el producto logre satisfacer los deseos del cliente.
Para asegurar el entendimiento se utiliza el método QFD (Quality Function Deployment), en el cual
se crea una matriz que consiste en ocho pasos identificados a continuación...
5.1. Paso 1: Identificación de los clientes
Los clientes deben ser las personas que actúan directa o indirectamente con el producto y que pueden
exigir requerimientos de éste.
Los clientes identificados que interactúan con la estructura o equipo de éste son:
Ing. Mecánico Sr. Juan Rodríguez, Inspector Técnico de Obras (I.T.O.), Encargado además de
la Manufactura y Montaje.
Sr. Yerko Muñoz, Supervisor de SS. Generales Ing. Equipos médicos, Encargado de la
Seguridad y Mantención.
Operarios: Pablo Paredes, Rodolfo Leal, Julio Valenzuela, Mario Arias, Luis Sepúlveda y Raúl
Núñez.
5.2. Paso 2: Identificación de los requerimientos de los clientes
Para saber qué se diseñará, es fundamental conocer los requerimientos o necesidades de los clientes. Este
paso resulta el más importante y a veces difícil de lograr, es por ello que existen siete pasos para cumplir
el objetivo, facilitando la obtención de información necesaria.
5.2.1. Identificar la información necesaria
Para identificar qué información es necesaria, es importante efectuar reuniones tanto con los clientes
como internas del equipo de diseño, así se logra detectar información faltante y analizar la ya obtenida.
Luego de varias reuniones, se acuerda que es necesario indagar sobre la siguiente información:
Objetivo(s) del proyecto.
Flujo de información.
Secuencias del funcionamiento actual y tiempo en cada una.
Requerimientos de todos los clientes.
Condiciones del ambiente de trabajo.
Espacio disponible para la estructura.
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Normativas de seguridad.
Normativas medioambientales.
Fallas comunes.
Mantenciones realizadas.
Fuerzas a soportar.
Materiales utilizadas actualmente.
Limpieza a estructura y a equipos.
5.2.2. Métodos de recopilación de datos
Para recopilar información de calidad, es necesario elegir algún método para esta tarea. Con este objetivo
se escoge el de observación en terrero; con capturas fotográficas, mediciones de estructuras y espacios
(bosquejos y planos), elaboración de encuestas previamente creadas, para ser aplicadas presencialmente o
vía correo electrónico.
Los bosquejos y planos se encuentran en Anexo 3: Visitas, página 81.
Fotografías en link: https://sites.google.com/site/chas92/.
5.2.3. Contenido de las preguntas
Para que las respuestas otorguen información concisa y certera, es necesario plantear bien las preguntas, es
decir, fijar la orientación de éstas.
Las preguntas estarán orientadas respecto a información que se estime necesaria. Sin embargo en el
transcurso del diseño, es posible encontrar nueva información imprescindible que complementará los
requerimientos y especificaciones.
Las preguntas deberán tener el contenido visto en la sección 5.2.1, especificando cada vez más,
según el conocimiento que se va adquiriendo de los mismos.
5.2.4. Diseño de las preguntas
Con el fin de entender los requerimientos de los clientes, es necesario diseñar adecuadamente las
preguntas. Se deben formular con frases claras y breves, con el objetivo de llegar a una respuesta en
particular.
5.2.5. Orden de las preguntas
Una vez formuladas las preguntas, se deben ordenar, con el fin de dar un contexto al cuestionario y así
obtener la información requerida.
5.2.6. Obtención de datos
La obtención de datos como anteriormente se señala, se realiza a partir de mediciones recolectadas en
visitas a la planta y a través de cuestionarios respondidos presencialmente o vía correo electrónico.
Luego de realizar todos los pasos anteriores se confecciona el cuestionario (ver en Anexo 5:
Cuestionario, Página 92) que fueron contestados presencialmente y vía correo electrónico.
21
5.2.7. Reducir la información
Es la síntesis de la identificación de requerimientos. Se analiza lo respondido y acotado por los clientes de
la siguiente forma:
Se redactan frases que indiquen los requerimientos.
A las frases anteriores, se le agrega el objetivo de los requerimientos.
Luego de entender ambos pasos anteriores, se separan los requerimientos de forma lógica.
Se redactan los requerimientos finales.
Al realizar el proceso anterior, se logra obtener los siguientes requerimientos:
De la estructura:
Ajustarse a la forma del galpón.
Buena estabilidad para la operación.
Antisísmica (*).
Utilizar material existente.
De la operación:
Minimizar el tiempo de transporte.
Fácil posicionamiento de las tolvas de transporte.
Aumentar tiempo de disponibilidad.
5.3. Paso 3: Determinar importancia relativa de los requerimientos
Evaluar la importancia que otorgan los clientes a cada requerimiento, ayuda a determinar cuántos factores
involucrar para cada requerimiento (como recursos monetarios y tiempo en diseño).
Una forma efectiva de medir la importancia, es dar al cliente cien puntos de los cuales deben
repartirse entre los requerimientos.
La importancia que estima cada cliente, se presenta numéricamente en la matriz QFD (Figura 5).
Los valores se completaron según el énfasis que dio cada cliente en las reuniones, priorizando los
requerimientos que cada uno señaló.
5.4. Paso 4: Identificar y evaluar la competencia
Identificar la competencia tiene como objetivo evaluar como ésta responde a los requerimientos obtenidos
en el paso 2. Con esto, se consigue un punto de referencia para observar cómo en la actualidad se resuelve
el problema y que factores son una oportunidad de mejoramiento.
La competencia seleccionada es el sistema de abastecimiento de carbón ya utilizado por el Hospital
Base Valdivia.
(*) No se atenderá este requerimiento, por la falta de conocimientos específicos por parte del equipo de diseño .
22
Para poder comparar cómo los distintos diseños cumplen los requerimientos se interpreta por
numeración:
1.- El producto no cumple con los requerimientos en lo absoluto.
2.- El producto cumple con los requerimientos ligeramente.
3.- El producto cumple con los requerimientos en parte.
4.- El producto cumple con los requerimientos en su mayoría.
5.- El producto cumple con los requerimientos de absolutamente.
Según los análisis hechos al sistema de abastecimiento actual, se encuentran las siguientes
debilidades:
Falta de seguridad para los operarios, como la obstrucción de la salida de emergencia y
riesgos en la operación.
Distancia del acopio a la estructura de abastecimiento para la segunda caldera, muy
extensa.
Falta de ergonomía para trasladar las tolvas de llenado.
Falta de mantenciones rutinarias.
Dificultades operacionales al momento de presentarse fallas en el sistema de izamiento.
Las fortalezas encontradas son:
Excelente estabilidad.
Buena resistencia ante la corrosión.
El último punto se concluye a través de inspección visual, considerando el tiempo de uso (veinte
años) que ha tenido la estructura.
En síntesis, el diseño debe estar centrado en encontrar mejoras ante dificultades operacionales,
preocupándose de la seguridad, brindando ergonomía a los operarios, manteniendo la estabilidad y
resistencia a la corrosión.
5.5. Paso 5: Generar especificaciones ingenieriles
El objetivo de este paso es generar un conjunto de especificaciones de ingeniería a partir de los
requerimientos de los clientes. Estas especificaciones consisten en la identificación de parámetros de
interés, para así posteriormente darles un valor y fijar metas a seguir que se desarrollarán en el paso 7.
Es importante tener en cuenta que cada parámetro a considerar debe ser medible, y por tanto debe
poseer unidades de medidas. En su defecto, es necesario fijar un método de medición, por ejemplo una
escala de uno a diez.
Ullman presenta los principales tipos de especificaciones ingenieriles que se deben considerar (ver
Anexo 6: Tipo de especificaciones ingenieriles, página 94). En base a lo anterior y a partir de los
requerimientos obtenidos, se han traducido las necesidades de los clientes en especificaciones de
ingeniería, las cuales se presentan en la Tabla 2, donde el sentido indica si el parámetro medido es bueno o
malo, y se representa con el símbolo (↑) indicando “más es mejor” y el símbolo (↓) que indica “menos es
mejor”. Si el parámetro debe ser exacto (sin rango permisible), se debe identificar el valor de éste.
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Tabla 2: Unidades y sentidos para las especificaciones
Especificación Ingenieril Unidad de medida Sentido
Altura del riel Milímetros [mm] Idealmente 5300 [mm]
Distancia desde el punto de enganche al acopio Milímetros [mm] ↓
Tiempo en preparar una tolva Minutos [min] ↓
Ancho de viga Milímetros [mm] Idealmente 200 [mm]
Peso que debe soportar la estructura Newton [N] ↑
N° de pasos para intercambio de tecles Constante ↓
5.6. Paso 6: Relacionar requerimientos ingenieriles con las especificaciones
Este paso se debe realizar en paralelo con el paso anterior, ya que se complementan mutuamente para
identificar si las especificaciones bastan y están bien entendidas.
Para medir esta relación se emplean cuatro íconos que indican lo siguiente:
● = 9: Relación fuerte.
O = 3: Relación Mediana. ∆ = 1: Relación débil.
Blanco = 0: No existe relación.
Lo ideal en este paso, es tener en cada requerimiento al menos una especificación con relación
fuerte (●), sin embargo, tener solo una especificación o no poseer una relación fuerte puede significar que
el requerimiento no fue entendido satisfactoriamente.
Las relaciones encontradas entre los requerimientos de los clientes y las especificaciones elaboradas
se encuentran en la matriz QFD (más adelante en Figura 5).
5.7. Paso 7: Establecer objetivos de especificaciones de ingeniería y su
importancia
En esta etapa, se fijan objetivos para cumplir con las especificaciones y se analiza cuán importante es
cumplirlos. Para ello se cumplen tres etapas:
5.7.1. Importancia de las especificaciones
Para saber con qué convicción se debe cumplir una especificación, es necesario fijar un nivel de
importancia. Una ayuda para esto es seguir tres pasos:
Paso 2.1.- Multiplicar la importancia de cada cliente (paso 3 del descubrimiento), con cada
relación requerimiento - especificación (paso 6 del descubrimiento).
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Paso 2.2.- Sumar los valores obtenidos anteriormente para cada especificación.
Paso 2.3.- Normalizar el paso anterior para todas las especificaciones, luego para conocer la
importancia porcentual de cada especificación, divida el valor obtenido en el paso 2.2 anterior (de
cada especificación) y divídalo por la normalización.
Los resultados de lo anterior se encuentran en la matriz QFD (más adelante en Figura 5).
5.7.2. Medir qué tan bien la competencia cumple las especificaciones
Ver como la competencia responde a las especificaciones planteadas, ayuda a fijar los objetivos del paso
7. Aquí se miden o se obtienen los valores que la competencia posee para cada especificación. Este paso
se debe realizar recordando lo analizado en el paso 4 del descubrimiento.
5.7.3. Ajustar metas a cumplir, de las especificaciones
Este es el objetivo principal de realizar una QFD, es donde se obtienen metas a cumplir según las
especificaciones ingenieriles.
Estas metas se deben tener presente durante el resto de los procesos de diseños, para asegurar
responder a lo solicitado por los clientes.
Si las metas establecidas no coinciden con los valores de las competencias, entonces es
recomendable realizar un análisis para poder restablecerlas.
Luego de realizar la QFD y de las determinaciones obtenidas en reuniones, las metas a cumplir para
este diseño son:
1. Mantener la altura del riel en un intervalo de 5200 [mm] a 5300 [mm].
La altura máxima del galpón es de 5400 [mm], dejando espacio para el error y montaje de estas se
escoge la altura máxima del riel en 5300 [mm]. Mientras que la altura mínima que debe tener el riel está
acotada por la altura que existe de la tolva más la del cilindro y la del tecle con trolley, resultando una
altura mínima de 5100 [mm]. Nuevamente para dejar espacio al error y montaje se escoge la altura
mínima de 5200 [mm].
Uno de los requisitos es mantener la estructura ya existente, es decir, no se puede modificar la altura
que el sistema actual posee, la cual es de 5300 [mm]. Considerando todo lo anterior, se justifica la meta
número uno.
2. Reducir la distancia de la estructura al acopio bajo los 5000 [mm] idealmente a 0 [mm].
Actualmente uno de los problemas (no el principal) es la dificultad de posicionar las tolvas de
transporte llenas bajo la estructura más lejana del punto de acopio, esta distancias de 5000 [mm] es la
causal, ya que obliga a los operarios montar las tolvas en un carro, el cual debe ser llevado a costa de
sobresfuerzo físico.
Idealmente no debiera existir una distancia, para que se pueda colgar la tolva de transporte
directamente al tecle eléctrico más alejado.
3. Reducir el tiempo de preparación de una tolva en al menos 10%.
Esta meta tiene relación con la meta anterior, ya que al disminuir la distancia al acopio, se reducirá
el tiempo de preparación.
25
4. Mantener el ancho de los perfiles en 200 [mm].
Para utilizar el tecle eléctrico ya existente, es necesario mantener el ancho de viga para su buen
funcionamiento, además se debe mantener el material existente el cual posee dicha dimensión.
5. La estructura debe de soportar por lo menos 10000 [N], sin considerar factor de seguridad.
El peso a elevar es de aproximadamente 6500 [N], (carbón más cilindro), considerando el peso del
tecle y que el cilindro es llenado más de su capacidad, se estima que el peso que debe soportar la
estructura es de 10000 [N].
6. Disminuir el número de pasos necesario para el intercambio de tecles en al menos dos.
Para aprovechar al máximo la eficiencia del diseño, es necesaria intercambio fácil de realizar, para
ello se debe disminuir el número de pasos que actualmente siguen, los cuales son:
Subir a altura de las calderas junto a un tecle manual.
Instalar el tecle manual a la estructura.
Llevar el tecle eléctrico defectuoso hacia la caldera.
Montar el tecle eléctrico defectuoso en el tecle manual.
Bajar el tecle eléctrico.
Desmontar tecle manual y bajarlo.
Realizar la mantención pertinente según falla (sea eléctrica o mecánica).
Si bien, se podría pensar que es necesario mencionar los pasos para la mantención pertinente, se
recuerda que para este diseño no se indagará en el tecle eléctrico.
5.8. Paso 8: Identificación de las relaciones entre las especificaciones de
ingeniería
El objetivo de este paso es analizar las dependencias entre las relaciones de las especificaciones
ingenieriles obtenidas.
A medida que se trabaja para satisfacer un conjunto de especificaciones, es posible que se genere un
resultado favorable o desfavorable sobre las demás. Es así que el texto guía (Ullman, 2010) propone una
técnica para identificar las relaciones entre las especificaciones de ingeniería. Este método es parte de la
matriz QFD y consiste en ubicar sobre la base de las especificaciones un techo en forma de triangulo
isósceles, el cual es dividido en casillas con el fin de que se pueda relacionar cada especificación entre si,
como se muestra en la Figura 4. Dentro de cada casilla se debe llenar con un símbolo (+), el cual denota
que una mejora en el cumplimiento de una de las especificaciones, mejorara a la otra especificación con la
cual se relaciona. Y se debe llenar con un símbolo (-) para denota que una mejora en el cumplimiento de
las especificaciones puede empeorar a la otra especificación.
26
Figura 4: "Techo" de matriz QFD
5.9. Presentación de Matriz QFD
Una vez concluidos los pasos necesarios para formar la matriz QFD, revisados anteriormente; se procede a
transcribir la información obtenida en dicha matriz, como se observa en la Figura 5.
Figura 5: Matriz QFD
27
6. DISEÑO CONCEPTUAL
En esta fase, en base al conocimiento obtenido en la anterior, se generarán ideas suficientemente
desarrolladas para evaluar los principios físicos que rigen el comportamiento del sistema de
abastecimiento, a este tipo de ideas se le denominan conceptos.
Se utiliza la filosofa “la forma sigue a la función” (Ullman, 2010, pág. 171), es decir, primero se
debe entender lo que debe hacer el sistema de abastecimiento de carbón, antes de diseñar la forma de
hacerlo, lo que dará solución al problema. El correcto desarrollo de esta etapa por medio de la
comprensión detallada de la función y consideración de los requerimientos de los clientes, otorgará mayor
calidad y minimizará los cambios en la siguiente fase.
Para detectar las funciones involucradas en el sistema se utilizarán distintos métodos que darán
lugar a desarrollar múltiples conceptos con el fin de elegir la mejor alternativa que satisfaga las
necesidades de los clientes.
6.1. Comprendiendo la función del producto existente
6.1.1. Definiendo la función
Según Ullman, se entiende la función como el flujo lógico de energía (incluyendo las fuerzas estáticas),
material o información entre los objetos o el cambio de estado de un objeto causado por una o más de los
flujos.
6.1.2. Ingeniería inversa
Es un método que permite entender cómo funciona un producto existente, descomponiendo y estudiando
el producto en sus partes, para así conocer como otros han solucionado el problema.
Para asegurar el entendimiento de la función del producto, Ullman recomienda seguir tres pasos:
6.1.2.1. Paso 1: Para todo el producto, examinar las interfaces con otros objetos
El objetivo de este paso es identificar los flujos de energía, información y material entrante y saliente que
cruzan la frontera del producto. Para lo cual se considera como producto el sistema de abastecimiento
completo, compuesto por la estructura de acero soportante, tecle eléctrico con trolley y tolva cargada con
carbón.
6.1.2.2. Paso 2: Remover un componente para un estudio detalla do
Se desmotan los componentes del sistema, que dificultan el análisis del flujo de energía, material e
información entrantes y salientes sobre el sistema.
En este paso no se realizaron desmontajes de componentes del sistema, debido a que este por sus
características permite visualizar claramente los flujos de energía existentes.
28
6.1.2.3. Paso 3: Examinar cada interfaz para encontrar el flujo de energía, información
y/o materia
Se estudia cada componente del sistema por separado, donde se analizará el flujo existente en cada
interfaz de la pieza analizada.
Se identificarán los componentes del sistema de abastecimiento en plantillas de ingeniería inversa
(Tabla 3 y Tabla 4), donde se detalla los flujos de energía, material e información presente en el sistema,
sintetizando los tres pasos presentados.
Tabla 3: Ingeniería inversa, interfaces con otros objetos
Ingeniería inversa para comprender la función
Organización de diseño: Grupo 7 Fecha: 13.06.2012
Descomposición del producto: Sistema de abastecimiento para calderas a carbón
Descripción: Estructura de acero usada para el transporte de carbón hacia la caldera.
¿Cómo funciona?: el tecle 1 soportado por la estructura 1 (a través de fuerzas estáticas) iza a la tolva con carbón, para ser
depositados en el carro. El carro es desplazado por fuerza del usuario hacia el tecle 2 para izar la tolva al riel 2 (soportado por
estructura 2), medio por el cual es trasladado hacia la caldera con un Trolley impulsado por energía mecánica.
Interfaces con otros objetos
Parte # Nombre
parte
Otro
objeto
Flujo de Energía Flujo de
información
Flujo de material
1 Tolva con
carbón Operario
El operario aplica fuerza
sobre la tolva para
posicionarla
--- Movimiento de la
tolva con carbón
1 Tolva con
carbón Carro El carro soporta el peso
de la tolva con carbón --- La tolva con carbón es
montada sobre el carro
1 Tolva con
carbón Tolva de descarga
La tolva de descarga
soporta el peso de la tolva con carbón y
contiene al carbón
---
La tolva con carbón se
monta y desmonta sobre la tolva de
descarga
2-3 Tecle &
Trolley Operario
El operario presiona un
botón para dirigir el tecle
y trolley.
El uso del control
implica el
funcionamiento del
tecle y trolley
Movimiento del tecle
y trolley
5 Columnas Suelo
El suelo soporta el peso
de las columnas, y estructura en sí
---
---
6
Viga
Muro
El muro soporta las
cargas generadas por la
viga empotrada en el
muro
--- ---
7 Perfiles
tubulares Muro
Los perfiles soportan fuerzas horizontales
producto de las
deformaciones y estos se
encuentran sujetos a el muro
--- ---
29
Tabla 4: Ingeniería inversa, flujos
Flujo de energía, información y materiales
Parte
#
Nombre Parte Interface Parte # Flujo de energía, información y materiales Imagen
1
Tolva con carbón - Operario
- Tecle
- Carro
- Tolva de
descarga.
La tolva con carbón reacciona a cargas
externas:
1F : Tensión de la cadena del tecle
2F :Fuerza soportante del carro
Hay movimiento de la tolva con carbón.
2
Tecle - Trolley
- Operario
- Tolva con
carbón
Se transforma energía eléctrica en energía
mecánica.
1F : Fuerza que soporta el tecle
3F :es soportado por el trolley
El izamiento de las cadenas del tecle señala
que el botón del control está presionado
3
Trolley - Riel
- Tecle
- Operario
Se transforma energía eléctrica en energía
mecánica
3F : Fuerza que soporta el trolley
4F : Fuerza que soporta el riel
El movimiento del trolley, señala que el botón
del control está presionado.
4
Riel - Trolley
- Vigas 4F : Fuerza que soporta el riel
5F : Fuerza que soporta la columna
El operario se percata visualmente del fin de
recorrido del trolley cuando este llega al tope del extremo del riel.
5
Viga - Riel - Muro
- Columnas
5F : Fuerza que soporta la viga
6F : Fuerza que soporta la columna
6
Columna - Viga - Suelo
6F : Fuerza que soporta la columna
7F : fuerza que soporta el suelo
7
Perfiles tubulares - Columna
- Muro 8F : Fuerza horizontales
9F : Fuerza que soporta el perfil y se
transmite al muro
Nombre de integrante: Cristian Aguilar
Preparado por: Grupo siete
Nombre de integrante: Flaminio Becerra
Revisado por: Todos
Nombre de integrante: Felipe Cazaux
Aprobado por: ---
Nombre de integrante: Hardy Muñoz
The Mechanical Design Process Designed by Professor David G. Ullman
Copyright 2008, McGraw Hill Form # 17.0
30
6.2. Descomposición funcional
Se descompone el problema en términos del flujo de energía, material e información. La importancia de
esta técnica radica en comprender detalladamente desde un principio en la etapa de diseño lo que el
producto debe hacer.
Ullman, recomienda seguir cuatro pasos básicos en la aplicación de esta técnica y una serie de
pautas para obtener una descomposición funcional exitosa. Estos pasos se utilizan de forma iterativa y se
pueden reordenar, según sea necesario.
6.2.1. Paso 1: Encontrar la función general que se debe realizar
El objetivo de este paso es generar una única definición de la función global, en base a los requerimientos
de los clientes. Se propone algunas pautas a considerar en el momento de encontrar la función general del
producto.
Las pautas a seguir son: La energía y el material debe ser conservado (almacenado o trasferido por
el sistema), identificar todas las piezas conocidas y objetos de interfaz, el equipo se debe preguntar
¿Cómo nos percatamos que el cliente sabe si el sistema está funcionando?, utilizar verbos de acción para
expresar los flujo.
Con lo anterior, el equipo de diseño ha definido la función general del proyecto de la siguiente
forma: “Abastecer la caldera de carbón, utilizando energía eléctrica”.
En base lo anterior, se crea el diagrama top-level (Figura 6), donde el sistema de abastecimiento
transformando energía eléctrica en trabajo permite transportar carbón para alimentar la caldera en uso.
Figura 6: Función general, Top-level
6.2.2. Paso 2: Generar descripciones de las subfunciones
En este paso, se descompone la función general, con el fin de centrarse en la identificación de las
subfunciones necesarias.
Será útil para controlar la búsqueda de soluciones, colaborar en la comprensión más precisa del
problema de diseño y evidenciar si algunos componentes existentes proporcionan la funcionalidad
requerida.
Gracias a las pautas entregas por el texto guía (Ullman, 2010, pág. 185), se logra identificar las
subfunciones principales del sistema de izamiento:
1. Transportar la tolva con carbón desde el punto de acopio de carbón, hacia el sector de
abastecimiento de la caldera.
2. Soportar cargas generadas internamente en la estructura.
3. Trasmitir cargas al medio externo del sistema de izamiento, con el fin de mantener el
sistema en equilibrio.
TRANSPORTAR
CARBÓN
SISTEMA DE
ABASTECIMIENTO
ALIMENTAR
CALDERA
ENERGÍA ELÉCTRICA
31
4. Resguardar la seguridad de los operarios durante el procedimiento de abastecimiento de la
caldera.
6.2.3. Paso 3: Ordenar las subfunciones
Se organizan las subfunciones generadas en el paso 2, para cumplir la función general.
El orden de las subfunciones debe ser a través de un flujo lógico, además, se identifican y agrupan
subfunciones redundantes, se eliminan las que no pertenecen al sistema, finalmente se representan en una
estructura subfuncional (Figura 7), desde el actuar del operario.
Figura 7: Estructura subfuncional
6.2.4. Paso 4: Refinación de las subfunciones
Se descompone la estructura subfuncional lo más finamente posible, examinando si cada subfunción
puede seguir siendo dividida o agrupada para lograr un entendimiento esencial del sistema. Se representa a
través de la estructura funcional refinada (Figura 8), la cual otorgará información necesaria para la
elaboración de conceptos.
32
Figura 8: Estructura subfuncional refinada
6.3. Generación de conceptos
Con el conocimiento de la función del producto, se procede a generar de conceptos, elaborando múltiples
ideas dirigidas a solucionar el problema.
Existen diversos métodos para la generación de conceptos, Ullman presenta algunos de ellos: Lluvia
de ideas, Método 6-3-5, construir una morfología, uso de analogías en diseño, búsqueda de ideas en libros
de referencia en comercio e Internet, uso de patentes y personas con experiencia, etcétera.
El equipo de diseño decide utilizar sólo el método de morfológico, debido a su potencial, ya que
involucra la utilización de varios de los métodos mencionados anteriormente, como lluvia de ideas,
búsqueda de ideas en libros de referencia, consultas a personas con experiencia, entre otros.
6.3.1. Método Morfológico
Se generarán ideas a partir de la utilización las funciones identificadas anteriormente. Este método consta
de tres pasos: Primero, confeccionar una lista de las funciones descompuestas a ser cumplidas. Segundo,
se debe encontrar bastantes conceptos que satisfagan cada función presente en la lista. Tercero, se debe
combinar los conceptos individuales creando conceptos generales que cumplan con los requerimientos
funcionales.
El método morfológico (Tabla 5), se realiza con una mezcla de conocimiento ingenieril,
experiencia, consulta a expertos y creatividad de parte del equipo de diseño, lo cual enriquecerá la
solución a elegir.
33
Tabla 5: Morfología
De todas las posibles combinaciones en la morfología, se seleccionan cinco que presentan mayor
viabilidad. Se asigna a cada alternativa un número para su diferenciación al ser evaluadas.
Cada concepto general creado se describe a continuación:
Concepto 1: Unir las actuales estructuras de abastecimiento a través de un riel curvo,
manteniendo el tecle y trolley existente. Como medida de seguridad se debe señalar con
pintura en el suelo la zona de riesgo en recorrido de la tolva.
Concepto 2: Corresponde a una variación del primer concepto, se le añade una columna
que soporte el riel curvo.
Concepto 3: Corresponde a otra variación del primer concepto, se unen dos soportes a
través de una viga para sostener el riel curvo.
Fuente de imágenes en: https://sites.google.com/site/chas92/
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Concepto 4: Mantener la estructura actual, para soportar un puente grúa, el cual incluye
tecle y trolley eléctrico. Se debe pintar la tolva de color llamativo para advertir su tránsito.
Concepto 5: Montar un sistema de tornamesa en la estructura actual, añadiendo una
columna que soporte un riel, se mantiene el tecle y trolley eléctrico existente. Como
medida de seguridad se debe pintar la tolva de un color llamativo para advertir del su
movimiento.
6.4. Evaluación y selección de conceptos
“El objetivo es gastar la menor cantidad de recursos para decidir que conceptos tienen el más alto
potencial para obtener un producto de calidad” (Ullman, 2010, pág. 213)
Se evaluarán los conceptos, para luego seleccionar el que cumpla con mayor rigurosidad los
requerimientos de los clientes para solucionar el problema de diseño.
Ullman presenta una serie de métodos para la evaluación, tales como: evaluaciones de vialidad,
analizar disponibilidad de tecnología, matriz de decisión o método de Pugh. El equipo de diseño se inclina
por utilizar este último por su fortaleza en la comparación de conceptos, además permite incluir
procedimiento de los otros métodos.
6.4.1. Matriz de decisión – Método de Pugh
Se debe formular una serie de criterios, basados en los requerimientos presentados en la QFD, los siendo
capaces de medir comparativamente los cinco conceptos. Este procedimiento entregará una puntuación
que caracteriza a cada uno, destacando aquel que cumpla los criterios con mayor rigurosidad, justificando
su elección.
Este método se desarrolla en seis pasos:
6.4.1.1. Paso 1: Establecer el tema
Se establece el tema al cual se le aplicará el método. Para el proyecto será: “escoger el mejor concepto que
satisfaga la función del sistema de abastecimiento de calderas”.
6.4.1.2. Paso 2: Seleccionar las alternativas a ser comparadas
Son las distintas alternativas desarrolladas en la generación de conceptos. Para el proyecto serán los
conceptos generales, descritos anteriormente en la sección 6.3.1.
6.4.1.3. Paso 3: Elegir criterios para la evaluación
Para generar los criterios, Se utilizan los requerimientos de los clientes y especificaciones ingenieriles
presentados anteriormente en la Matriz QFD (Figura 5), obtenido lo siguiente:
Adaptable al galpón: Número de modificaciones en la estructura del galpón.
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle: Número de pasos para el intercambio del
tecle.
Eficiencia en el tiempo de operación: Números de pasos para la operación.
35
Trabajo físico necesario por el operario: Se considera la fuerza que realiza el operario para
desplazar la tolva con carbón una cierta distancia.
Uso de materiales y componentes existentes: Es posible medir este criterio, respondiendo a
la pregunta: ¿El concepto ocupa material y/o componentes distintos a los existentes?
6.4.1.4. Paso 4: Desarrollar una ponderación de importancia relativa
Para determinar la importancia relativa de los criterios se disponen de 100 puntos, los cuales en base a los
requerimientos de los clientes son distribuidos a su criterio de evaluación equivalente.
Tabla 6: Ponderación de criterios
Criterios Ponderación
Adaptable al galpón 15
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle 27
Eficiencia en el tiempo de operación 22
Trabajo físico necesario por el operario 22
Uso de materiales y componentes existentes 14
6.4.1.5. Paso 5: Evaluar las alternativas
Basándose en el cumplimiento de los criterios, este paso permite conocer cómo se comporta cada
concepto al ser comparado con el sistema de abastecimiento actual (datum). Se utiliza un sistema de
puntación para medir este comportamiento, donde se representa con (-1) cuando en un criterio el concepto
es desfavorable comparado con el datum , con (0) cuando el concepto cumple el criterio de igual manera
que el datum y con (+1) para aquel concepto que se encuentra sobre el datum al cumplir el criterio en
consideración.
Específicamente, en el proyecto cada criterio se evalúa de la siguiente forma:
Adaptable al galpón: (-1) si requiere modificación, (0) si no requiere.
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle: (-1) si aumenta el tiempo, (0) si no varía, (1)
si disminuye.
Eficiencia en el tiempo de operación: (-1) si aumenta el tiempo, (0) si no varía, (1) si
disminuye.
Trabajo físico necesario por el operario: (-1) si aumenta el trabajo físico, (0) si no varía, (1)
si disminuye.
Uso de materiales y componentes existentes (-1) si son requeridos, (0) si no son requeridos.
Justificación de la evaluación realizada en Anexo 8: Evaluación de criterio para matriz de Pugh.
6.4.1.6. Paso 6: Calcular la satisfacción y decidir qué hacer a continuación
Es la habilidad que poseen los conceptos para cumplir los criterios de evaluación. Se calcula sumando la
multiplicación entre la evaluación de cada concepto con la ponderación de cada criterio.
Es presentado en la matriz de Pugh como “Peso total”. La evaluación más alta reflejara que
concepto cumple con mayor rigurosidad los criterios, por lo tanto los requerimientos de los clientes.
En el proyecto, la puntuación del concepto 3 refleja una puntuación superior al resto, por lo cual el
equipo de diseño decide llevarlo a cabo en la siguiente fase.
36
A continuación en Tabla 7 se presenta la matriz de Pugh, englobando todos los pasos mencionados.
Tabla 7: Matriz de Pugh
Tema: “Escoger el mejor concepto que satisfaga la función del sistema de abastecimiento de calderas”
Sist
ema
actu
al
Co
nce
pto
1
Co
nce
pto
2
Co
nce
pto
3
Co
nce
pto
4
Co
nce
pto
5
Adaptable al galpón 15
Dat
um
-1 -1 0 -1 -1
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle 27 1 1 1 1 1
Eficiencia en el tiempo de operación 22 1 1 1 1 0
Trabajo físico necesario por el operario 22 1 1 1 1 0
Uso de materiales y componentes existentes 14 0 0 0 -1 0
Total 2 2 3 1 0
Peso total 56 56 71 42 12
37
7. DESARROLLO DEL PRODUCTO
En esta fase, se desarrollará el concepto seleccionado, refinándolo a través de un procedimiento iterativo
con una permanente evaluación del cumplimiento de los requerimientos y capacidad de manufactura. En
el proceso de maduración del producto, es posible que a causa de las evaluaciones ocurran cambios en el
concepto original, Ullman recomienda en estos casos enriquecerlos con ideas de los otros conceptos o
generación complementaria.
Dejar esta etapa hacia el final del proyecto le otorga calidad al producto, al ser beneficiado por la
planificación, especificaciones desarrolladas y generación de conceptos a través de la aplicación de las
buenas prácticas en el proceso (Anexo 1: Tabla de buenas práctica).
Para lograr la forma final del producto antes de su producción, se llevarán a cabo los siguientes
procedimientos:
7.1. Generación de la forma
"La forma Crece de las restricciones con otros ensambles y componentes" (Ullman, 2010, pág. 246)
Se consolidan las restricciones existentes, como las responsables de la forma del producto. Esta situación
lleva a determinar las restricciones espaciales presentes, la configuración de las componentes, el desarrollo
de conectores, la refinación y ajuste del producto, concluyendo con la lista de materiales a utilizar en el
producto.
7.1.1. Restricciones espaciales
Para obtener un producto de calidad, el diseño debe cumplir en su totalidad con las funciones requeridas,
esto implica considerar la existencia de zonas que no deben ser interferidas por la estructura o flujo de
material, ya que imponen peligro a las personas que transitarán en dichos lugares.
El producto a diseñar se sitúa dentro de un galpón (Figura 9), al cual no se le pueden hacer
modificaciones estructurales. Además, no se debe interferir en la zona de acopio de carbón, garita de
operarios, camarín de vestuario, zona donde se ubican las calderas y la vía de escape.
38
Figura 9: Restricciones espaciales
La máxima altura permisible por el galpón es de 5600 [mm], también se considera que el riel está
situado por debajo de las vigas soportantes de 200 [mm] de altura, por tanto su posición no debe superar
los 5400 [mm] de altura. Mientras, las tolvas de descarga de las calderas restringen la elevación mínima a
3100 [mm], que debe tener el flujo de material a transportar, al momento de depositarse.
7.1.2. Configuración de componentes
"Desarrollar la arquitectura o configuración de un producto involucra decisiones que dividen el producto
en componentes individuales y desarrollan la posición y orientación de estos"
(Ullman, 2010, pág. 247)
Básicamente, el producto a desarrollar consta de dos ensambles, la estructura y el conjunto de elementos
que interactúan con ella, los cuales son:
De la estructura: columnas, vigas, perfiles tubulares, atiesadores, rieles y riel curvo.
Conjunto de elementos que interactúan con la estructura: trolley, tecle, tolva de llenado,
línea de abastecimiento de energía.
La función principal que debe desarrollar la estructura la cumple el riel, al ser guía del sistema de
traslado de materia, por ello el posicionamiento de toda la estructura abarca la zona entre el acopio de
carbón y las calderas. La orientación que poseen los rieles rectos va en dirección a la tolva de descarga,
mientras que el riel curvo establecerá el nexo entre ambos rieles (Figura 10). En consecuencia, el riel
curvo se encuentra a la misma altura de los rieles rectos, su posición dependerá de la distancia entre rieles
y su forma depende del radio necesario para que el trolley tenga un correcto funcionamiento al transitar
sobre esta unión curva.
39
Figura 10: Ubicación de la estructura
Por otro lado, la altura de los rieles tiene un máximo permisible de 5400 [mm], y un mínimo de
5100 [mm], el cual está limitado por la suma entre la alturas de la tolva de descarga, la tolva de llenado y
el tecle con trolley. Es así que el riel se sitúa a una altura de 5300 [mm].
La orientación que tendrán las vigas soportantes sobre el riel, dependerá de donde se sujetaran las
vigas. Donde existen tres posibilidades, soportar desde: I) Suelo, II) Muros o III) Techo.
La opción III, expone riesgos a la estructura, ya que no existen las condiciones estructurales en las
instalaciones del techo del galpón para esta ejecución, no permitiendo soportar más cargas de las actuales,
es por ello que una parte de las vigas es soportadas por los muros del galpón, y en su mayoría otra parte es
soportada por el suelo a través de columnas. Esto implica que la orientación de las vigas sobre el riel será
perpendicular a la trayectoria de este último.
Las columnas deben ser orientadas en forma vertical, simulando empotramiento con el suelo, y su
parte superior interactuará con las vigas soportantes en forma perpendicular una de otra. La altura de estas
columnas está dada por la altura de las vigas mencionada anteriormente.
Para soportar mejor las cargas entre las vigas y las columnas, se rigidiza esta zona instalando una
placa de unión, donde su ubicación y forma dependerá de la reacción existentes en este lugar. Además se
Utilizarán atiesadores en la unión de las vigas que conforman el marco soportante del riel curvo.
Los últimos componentes de la estructura son los perfiles tubulares, tienen la función de ayudar en
el soporte de las cargas generadas en la estructura. Estos se sitúan en dirección perpendicular a las
columnas, estableciendo la unión entre las paredes y dichas columnas.
En cuanto a los elementos que interactúan con la estructura, estos se caracterizan por posicionarse
en forma perpendicular a lo largo de un eje vertical al riel. Este conjunto de elementos tiene la capacidad
de cambiar su posición relativa con respecto al riel a través del tiempo (Figura 11).
40
Figura 11: Conjunto de elementos que interactúan con la estructura
7.1.3. Desarrollo de conexiones
"Las conexiones o interfaces entre componentes soportan su función y determinan su posición y
localización relativa" (Ullman, 2010, pág. 249)
Parte de la solución generada, es la preocupación en el ensamble de las partes incluidas en el diseño. Para
esto se utilizarán dos métodos: a través de soldaduras y por medio de pernos.
7.1.3.1. Soldaduras
Se utilizará la soldadura como sistema de unión en dos casos específicos: el primero, contempla toda
aquella situación donde se unirán desde sus extremos las vigas de tipo IPN 200, que son parte de la
solución del problema (Figura 12). El segundo caso, implica las uniones de diferentes tipos de atiesadores
a la estructura (Figura 13).
Figura 12: Soldadura por extremos
41
Figura 13: Atiesadores de viga
Para su ejecución se seleccionará el sistema de soldadura al arco, para el cual se utilizará un
electrodo del tipo INDURA 7018-RH.
Se utiliza como base bibliográfica el Manual de Sistemas y Materiales de Soldaduras (INDURA
S.A., 2007), el cual proporciona la información necesaria para conocer los procedimientos a seguir, la
selección del electrodos ocupar y el posterior cálculo de cantidad de electrodos a utilizar. Esta
información se encuentra en “Elección y cálculo de soldadura” de la Memoria de cálculo (página 52).
7.1.3.2. Pernos
Como medio de unión entre el riel curvo y las vigas soportantes (marco), se utilizarán pernos del tipo M20
de grado 8,8 ; los cuales soportan las cargas estáticas presentes y aseguran una duración de cinco años
antes de su falla.
7.1.4. Lista de materiales (BOM)
Es una lista de piezas que se utilizarán, documento fundamental para la fabricación del producto,
ver Tabla 8.
42
Tabla 8: Lista de materiales (BOM)
Bill of Material
Product :Sistema de izamiento Hospital Base Valdivia Date:17/07/12
Assembly: Grupo 7
Item # Qty Name Material Source 1 1 und. Perfil IPN-200 [12 m] A36 Copromet
2 9.5Kg Electrodo E7018-RH - Indura S.A
3 8 und. Perno M20 x 2.5 x 40 Acero Milán Fabjanovic y Cía. Ltda.
4 8 und. Tuerca Hex. M20 x 2.5 Acero Milán Fabjanovic y Cía. Ltda.
5 1und. Perno de anclaje ½ ¨ x 3.½¨ Acero Milán Fabjanovic y Cía. Ltda.
6 4 gal. Esmalte Epox. Amarillo - Tricolor
7 1 gal. Esmalte Epox. Rojo - Tricolor
8 1 und. Amarra cable 280 x 4.8 [mm] - Ferretería Sur S.A.
9 1 und. Plancha 1000x500x10 [mm]3
Acero Simón Pedro Rebolledo Jara
10 1 und. Enchufe macho trifásico - ELECTROCOM S.A
11 1und. Enchufe hembra trifásico - ELECTROCOM S.A
Team member: Cristián Aguilar Prepared by: Grupo 7
Team member: Flaminio Becerra Checked by: Grupo 7
Team member: Felipe Cazaux Approved by: ---
Team member: Hardy Muñoz Page 1 /1
n The Mechanical Design Process Designed by Professor David G. Ullman
Copyright 2008, McGraw Hill Form # 23.0
7.2. Evaluaciones
Para determinar la forma concisa del producto, es necesario formular un concepto al cual se le modifican
características, según el funcionamiento deseado hasta obtener un producto maduro. Por esto, a
continuación se detalla los cambios realizados, durante la etapa anterior de desarrollo.
7.2.1. Evaluación del riel curvo
La modificación efectuada al riel curvo, es el cambio de distancia desde su cuadrante hasta el muro
trasero. Se considera el radio de la tolva de transporte, dejando una distancia adicional ante posibles
oscilaciones que se puedan producir. Se calculó en 600 [mm], sin embargo, la poca distancia hacia el
muro significa una amplia distancia hacia el marco de apoyo, incrementando el momento flector.
Este momento flector ocasiona un esfuerzo en el riel curvo, sobre el límite de fluencia, por lo que se
incrementa la distancia al muro trasero a 1000 [mm].
43
Figura 14: Vista de elevación, distancia muro-riel curvo
7.2.2. Evaluación de la unión para marco
Originalmente se diseña el marco para seguir la configuración actual de la estructura, esto es, dos vigas
IPN-200 unida por las alas (Figura 15), sin embargo, implica la compra de una viga extra, por lo cual se
diseña el concepto para una nueva configuración de viga (Figura 16) para crear el marco.
Figura 15: Configuración actual, vigas unidas por alas
Figura 16: Configuración nueva de viga
44
7.2.3. Evaluación de pernos
En un principio el equipo de diseño en vista de los análisis estáticos realizados a un perno del tipo M10,
concluyó que este sería suficiente para soportar las cargas producidas. Pero al considerar el análisis de
fatiga del mismo, se determina que este falla en un periodo de tiempo no muy prolongado. Es por esta
razón que se decide utilizar un perno M20 de grado 8,8, el cual en base a los análisis realizados (ver
“Elección y cálculo de pernos” de la Memoria de cálculo, página 56), cumple con los requerimientos que
se necesitan.
7.2.4. Seguridad en la operación
Un factor importante a considerar en el proyecto, son las medidas precautorias para evitar eventuales
accidentes en la operación.
En la norma NCh-1410, acerca de “Tipos y colores de señales”, define el significado y la
aplicación de colores de seguridad para la identificación de maquinas, riesgos en superficies, condiciones
de peligro, equipos de emergencia y condiciones de seguridad. De acuerdo a lo estipulado en la norma, la
estructura de acero y tolvas de llenado se deben pintar de color amarillo para indicar atención, el suelo
indicando el recorrido de la tolva cargada debe ser de color rojo señalando cruce peligroso. Ver Figura 17.
Figura 17: Señalizaciones
45
8. MEMORIA DE CÁLCULO
8.1. Cálculo de cargas
A continuación se analizarán los distintos tipos de cargas relacionadas con la estructura, de acuerdo a lo
exigido en la norma NCh-427, articulo 9, acerca de solicitaciones y combinaciones de carga.
8.1.1. Cargas muertas
Las cargas muertas son aquellas que son invariables en el tiempo y que además mantienen su posición.
Por lo tanto, la única carga muerta es la que posee la estructura, es decir, su peso.
Según Tabla 9, se observa el peso por metro lineal del perfil seleccionado para la estructura, el cual
es de 26.30 [Kg].
Tabla 9: Especificaciones perfil IPN-200
Así, el peso total de la estructura, considerado carga muerta, es de:
8.1.2. Cargas vivas
Las cargas vivas se definen como aquellas que varían en el tiempo o en la posición que son aplicadas.
Las cargas vivas identificadas en Tabla 10 son los pesos de: Trolley, tecle eléctrico, carbón, tolva de
transporte.
Tabla 10: Pesos de cargas vivas
Componentes Pesos [N]
Trolley 333.2 [N]
Tecle eléctrico 597.8 [N]
Carbón + Tolva de transporte 6370 [N]
Sin embargo, el diseño se elaborará para soportar la carga nominal de levante del tecle (1 [Ton]),
por lo tanto, se utilizará este valor en vez del correspondiente al de la tolva de transporte más carbón,
obteniéndose la siguiente carga viva:
46
Ver obtención de pesos de tecle y trolley en Anexo 9: Respecto al desarrollo del producto.
8.1.3. Fuerza horizontal en los rieles de una viga porta-grúa H
La norma NCh-427, articulo 9.1.1.d, estipula lo siguiente: “La fuerza horizontal lateral que actúa sobre el
riel de una grúa viajera, producida por el movimiento transversal del carro, será, si no se especifica lo
contrario, el 20% de la suma total de la carga que puede levantar más el peso del carro (sin tomar en
cuenta otras partes componentes de la grúa). La mitad de esta fuerza para cada riel se considera actuando
lateralmente en dirección normal al riel en ambos sentidos y sobre la cabeza de éste. La fuerza
longitudinal, si no se especifica lo contrario, se calculará con el 10% de las cargas máximas de las ruedas
y se aplicará en la cabeza del riel”.
Las cargas horizontales a considerar según la norma anterior son el 20% de las cargas vivas
estimadas anteriormente. Así las cargas de impacto por rueda serán:
8.1.4. Cargas eventuales
Según norma NCh-427, articulo 9.2.2.a: “Las tensiones máximas podrán aumentarse en un 33 1/3% para
combinaciones que incluyan una carga eventual (por ejemplo viento o sismo).
Para calcular las cargas eventuales, se considerarán el 30% las cargas totales (muertas y vivas):
8.2. Análisis estático
Se toma en cuenta parte de la estructura, la cual se encuentra sometida a flexión, debido a una carga de
10731 [N]. Para efecto de análisis, esta se considera empotrada como se muestra en la Figura 18, ya que
está soldada a dos rieles que la soportan por la parte axial en sus extremos.
Figura 18: Situación a analizar
47
La viga de la situación anterior se encuentra estáticamente indeterminada, por lo cual se debe
calcular las reacciones y momentos mediante las ecuaciones entregadas en la tabla A-9 (Joseph Edward
Shigley, 2008, pág. 999).
Figura 19: Diagrama de cuerpo libre
El diagrama de cuerpo libre de la viga, Figura 19. Muestra las cargas y momentos de reacción en
los apoyos A y B, que se calculan utilizando los datos de la Figura 20:
Figura 20: Distancias y carga aplicada
Los esfuerzos cortantes entre AB y BC, están dados por:
En la Figura 21, se puede visualizar el diagrama de esfuerzos cortante a lo largo de la viga, para 0 [m] <
X < 5,040 [m]:
48
Figura 21: Diagrama de corte
El cálculo de los momentos flectores generados a lo largo de la viga es desarrollado de la siguiente forma:
Asi se puede graficar el momento flector a lo largo de la viga, Figura 22.
+ _
49
Figura 22: Diagrama de momento flector
Al conocer el momento flector y esfuerzo cortante máximo a lo largo de la viga, y en base a la
geometría de la sección, es posible confeccionar la Tabla 11, con la cual se calcula el esfuerzo normal
máximo en compresión (sobre el eje neutro) y el esfuerzo normal máximo en tracción (bajo el eje neutro),
y el esfuerzo cortante máximo, ver Figura 23.
Tabla 11: Datos de análisis estático
Figura 23: Distribución de Esfuerzos (Viga sometida a Flexión)
Dado los datos de la tabla anterior, además por la geometría de la viga, se tiene:
max. max. max.tracción compresión
+
_
_
50
8.3. Factor de seguridad
Para estimar un factor de seguridad, se utilizará el método “The classical rule-of-thumb factor of safety"
(Ullman, 2010, pág. 405), que considera la siguiente ecuación:
material stress geometry failure analysis reliabilityFS FS x FS x FS x FS x FS
Considerando los siguientes criterios:
8.3.1. Estimación de la contribución para el material
1.0materialFS : Si las propiedades del material son bien conocidas, si ellas han sido obtenidas
experimentalmente de una prueba a un espécimen conocido, idéntico al componente que está siendo
diseñado y de una prueba representando las cargas a aplicar.
1.1:materialFS Si las propiedades del material son obtenidas de un libro o valores de los
manufacturadores.
1.2 1.4 :materialFS Si las propiedades del material no son bien conocidas.
Para el proyecto se escoge 1.1materialFS .
8.3.2. Estimación de la contribución para el esfuerzo de carga
1.0 1.1:stressFS Si las cargas están bien definidas como estáticas o fluctuantes, si no existen
sobrecargas anticipadas o cargas de impacto y si un método preciso de análisis de esfuerzo ha sido
utilizado.
1.2 1.3:stressFS Si la naturaleza de las cargas ha sido definida como promedio, con
sobrecargas del 20 % al 50 %, y el método de análisis de esfuerzo posee un error menor que 50 %.
1.4 1.7 :stressFS Si las cargas no son bien conocidas o el método de análisis de esfuerzo es
poco preciso.
Se escoge 1.3stressFS , considerando el peor caso, ya que existe inexperiencia.
8.3.3. Estimación de la contribución de la geometría
1.0 :geometryFS Si las tolerancias de la manufactura son rigurosas y bien establecidas.
1.0 :geometryFS Si las tolerancias de manufactura son promediadas.
1.1 1.2 :geometryFS Si las dimensiones no son muy precisas.
Se escoge 1.0geometryFS .
51
8.3.4. Estimación de la contribución para el análisis de fallas
1.0 1.1:failure theoryFS Si el análisis de fallas a utilizar es proveniente de un estado de esfuerzo como
esfuerzo estático uni o multiaxial, o esfuerzo de fatiga uniaxial invertido.
1.2 :failure theoryFS Si el análisis de fallos a utilizar es una simple extensión de las teorías
anteriores, tales como multiaxial, esfuerzo de fatiga totalmente invertido o tensiones uniaxiales medias
distintas de cero.
1.3 1.5:failure theoryFS Si el análisis de la falla no está bien desarrollado, como ocurre con el
daño acumulativo o es no nula la fatiga multiaxial.
Se escoge 1.2failure theoryFS : Si el análisis de fallos a utilizar es una simple extensión de las
teorías anteriores, tales como multiaxial, esfuerzo de fatiga totalmente invertido o tensiones uniaxiales
medias distintas de cero.
8.3.5. Estimación de la contribución para la confiabilidad
1.1reliabilityFS : Si la seguridad requerida para una parte debe ser alta, por momento menor que 90 %.
1.2 1.3reliabilityFS : Si la seguridad es un promedio 92–98 %.
1.4 1.6reliabilityFS : Si la seguridad debe ser alta, es decir, mayor que 99 %. Estos valores son en
el mejor de los casos, las estimaciones sobre la base de una verbalización de los factores.
Se escoge 1.3reliabilityFS : Si la seguridad es un promedio 92–98 %.
8.3.6. Presentación del factor de seguridad
Por lo anterior, se calcula el factor de seguridad:
1.1materialFS
1.3stressFS
1.0geometryFS
1.2failure theoryFS
1.3reliabilityFS
1.1 1.3 1.0 1.2 1.3 2.236FS x x x x
52
Con el factor de seguridad determinado, se puede calcular el sigma permisible (permisible ).
240107.331permisible
MpaMpa
FS
8.4. Elección y cálculo de soldadura
Previamente a la selección de un tipo de electrodo y su posterior cálculo de soldadura, es necesario indicar
el sistema de soldadura a utilizar, por el tipo de acero utilizado (A36), y las características de la estructura
se utilizará el sistema arco manual. El cual se define como el proceso en que se unen dos metales mediante
una fusión localizada, producida por un arco eléctrico entre un electrodo metálico y el metal base que se
desea unir (INDURA S.A., 2007).
8.4.1. Selección del tipo de electrodo
Para seleccionar algún tipo de electrodo, INDURA recomienda cumplir algunos criterios básicos:
1. Naturaleza del metal: El tipo de metal que se empleará es acero estructural A-36.
2. Sección a Soldar: Se deben soldar cinco secciones de 33.4 [cm2] de vigas IPN-200. Además,
se deben unir desde sus aristas las secciones de las placas utilizadas como atiesadores, más
las uniones de espesor 10 [mm].
3. Tipo de corriente que entrega la maquina soldadora: Dependiendo del tipo de máquina que
se disponga, se debe seleccionar un electrodo que este diseñado para ser utilizado con
corriente continua y/o alterna.
4. Tipo de posiciones en que se soldara: Se recomienda utilizar un electrodo apto para utilizarse
en toda posición, ya sea vertical, horizontal, en el plano o sobre cabeza.
5. Tipo de unión: Se realizarán uniones de tope.
6. Característica especial que debe poseer el depósito: La estructura debe poseer una
resistencia a la tracción mínima de 410 [Mpa] y un límite de fluencia mínimo de 250 [MPa].
7. Norma que debe cumplir la soldadura: Se debe regir por la ASTM A36.
Existe una amplia gama de electrodos que cumplen los requerimientos solicitados para soldar sobre
acero al carbono, de tipo A-36 bajo la norma ASTM, presentados en el manual.
También se considerará la opinión entregada por profesionales de INDURA S.A., como se ha
mencionado anteriormente, se utilizará un electrodo “INDURA 7018-RH” (Tabla 12).
53
Tabla 12: Electrodo E7018-RH
8.4.2. Tipo de soldadura
Según la norma NCh-427 Art. 15.3 (acerca de soldaduras), se debe utilizar el tipo de soldadura llamado de
ranura o bisel “V” simple, ver Figura 24.
Figura 24: Soldadura de ranura o bisel “V” simple
Además, se utilizará el tipo de soldadura filete (Figura 25), el cual es utilizado para unir aquellos
elementos que formen ángulos rectos, como es el caso de los atiesadores.
Figura 25: Soldadura de filete
54
8.4.3. Cálculo de cantidad de soldadura a utilizar
Para proceder en el cálculo de la cantidad de soldadura en [Kg] a utilizar, se debe calcular la cantidad de
metros lineales a soldar (Tabla 13), para esto se consideran las secciones a unir mediante el depósito de
material.
Tabla 13: Metros lineales a soldar
Componente a unir
Tipos de soldadura y Dimensiones
Descripción y N° de
elementos a unir
(N° de Elem. a Unir) por
(Longitud total en metros
lineales)
Metros
lineales
a soldar
Se deben empalmar
cinco secciones de
perfiles IPN-200, con el
fin de aumentar su
longitud.
Espesor alma: 7.5 [mm]
Espesor ala: 11.3 [mm]
(5) * (0.09*2 + 0.1774) 1.787
Se deben unir cuatro
atiesadores de forma
triangular.
Espesor: 10 [mm]
(4) * (0.09 + 0.480) 2.28
Se debe unir un
atiesador de sección
rectangular.
Espesor: 10 [mm]
(2) * (0.350) 0.7
Se debe utilizar un
atiesador rectangular
Espesor 10 [mm]
(2)*(0.250) 0.5
Se debe utilizar un
atiesador rectangular
Espesor 10 [mm]
(2)*(0.1)+0.18 0.38
Se deben unir dos
atiesadores de tipo
rectangular
Espesor: 10 [mm]
(2) * (2*0.04125 + 0.1774) 0.5198
55
De la tabla anterior, se tiene que la cantidad de metros lineales a unir, para soldar mediante el tipo
de soldadura en bisel simple, sobre un acero de 7.5 [mm] de espesor, es:
Mientras que para soldar sobre un acero de 11.3 [mm] de espesor, la cantidad de metros lineales es:
En cuanto a la soldadura de tipo filete, solo se utiliza para unir planchas de 11.3 [mm] con planchas
de 10 [mm], para lo cual se considera la cantidad de metros lineales donde se depositara material:
Teniendo en cuenta una serie de factores, tales como: espesores del material a soldar, tipos de
soldadura, cantidad de metros lineales [m.l] a soldar, entre otros. Además, considerando el “Manual de
Sistemas y Materiales de Soldaduras” (INDURA), es posible confeccionar la Tabla 14, la cual
proporciona la información necesaria para estimar cuantos kilogramos de electrodos tendrá la estructura.
Tabla 14: Cantidad de soldadura en la estructura
Espesor (E)
[mm] Bisel simple Filete
Distancia que se
depositara material
(Bisel simple)
[m.l]
Distancia en que
se depositara
material
(Filete)
[m.l]
Peso de
metal
depositado
[Kg] Metal Depositado [Kg/m.l]
(Acero)
7.5 0.438 0.243 0.887 - 0.389
11.3 0.923 0.571 3.18 2.099 4.134
TOTAL - - 4.067 2.099 4.523
Conociendo los kilogramos de material depositado efectivamente, además basándose en la
información indicada en la tabla de “costos consumibles” (INDURA S.A., 2007, pág. 14), es posible
encontrar una relación entre la cantidad de electrodos consumidos y la cantidad de material depositado.
Tabla 15: Relación entre cantidades de electrodos
Kg. de metal depositado Kg. de Electrodos consumidos
100 170
4.523 7.689
De esta manera, se observa en la Tabla 15, que se requieren como mínimo 7.689 [Kg] de electrodos
“INDURA 7018-RH”, pero como este cálculo está sometido a otros factores, como el amperaje utilizado
por el soldador, la técnica que posea el soldador, etc. Entonces se estimaran disponer de 8.5 [Kg] de
electrodos del mismo tipo.
56
8.5. Elección y cálculo de pernos
La elección para los pernos es contempla dos análisis: estático y de fatiga. El primero, indica que es
posible utilizar un perno M10 sin embargo, por el análisis de fatiga realizado al mismo, se concluye que
solo tiene una vida útil de 3.2 años, así se decide optar por un perno M20 de grado 8.8, el que posee una
vida útil de por lo menos 5 años.
8.5.1. Análisis estático
Para analizar estáticamente el tipo de perno primeramente se escoge un perno de alta resistencia, bajo la
norma NCh-2369, “cargas sísmicas” articulo 8.5.1, acerca de conexiones.
Luego se debe considerar la carga a la que el perno estará sometido (F), el material en cuanto a su
resistencia (σf), la cual depende del grado del perno y se obtiene de la Tabla 39, anexo 10.8.2 y por
último el área de esfuerzo de tracción del perno, teniendo en cuenta un factor de seguridad FS = 2,236.
De los cálculos anteriores se concluye que un perno con un área de esfuerzo en tracción de 37,268
[mm]2 soporta la carga estática F= 10731 [N], para lo cual según la Tabla 40, el perno a utilizar es un
M10 o mayor.
8.5.2. Análisis de fatiga
Tal como se había mencionado anteriormente, se realizaron dos análisis de fatiga. El primero fue sobre un
perno M10, el cual resulto fallar ante una carga que varía durante el tiempo, mientras que el segundo
análisis fue sobre un perno M20 grado 8.8, que entrego resultados más favorables ante la misma carga,
como se verán en los procedimientos a continuación.
Primeramente se debe calcular el número de ciclos con que se somete a cargas el perno, para esto se
considera que la carga varia cuatro veces en una hora (dos cargas por hora), y además se pretende que el
perno dure a lo menos 5 años sin presentar falla.
8.5.2.1. Análisis de fatiga para perno M10
El análisis de la Figura 26, muestra que el perno tiene un periodo de vida menos prolongado en la zona
afectada por colores rojo y amarillo, por lo cual presenta falla en esta zona. Los cálculos realizados para
este análisis se encuentran en Anexo: Análisis de fatiga para perno M10, mientras solo se considerará en
el ítem siguiente, cálculo realizado al perno M20.
57
Figura 26: Log life, perno M10
8.5.2.2. Análisis de fatiga para perno M20 (grado 8.8)
La presencia de la fatiga se encuentra afectada por una serie de factores, los cuales se utilizan para calcular
el denominado Factor de reducción (Kf). Dichos factores dependen del tamaño (CSize), del tipo de carga
(CLoad), del efecto de entalle (CNotch) y del efecto del acabado superficial (CSurface) del perno.
Para efecto de análisis se necesita conocer el factor de reducción, para lo cual el siguiente
procedimiento explica cómo se obtuvo este factor en un perno M20.
El coeficiente CSize se obtiene de la fórmula para el factor de tamaño, que se encuentra en (S&T,
2008). Mientras que el CLoad, se obtiene de la Tabla 41, Anexo 10.8.3: Tablas para el factor de resistencia
a la fatiga, el cual depende del tipo de carga.
Para el cálculo del factor de acabado superficial (CSurface), se debe considerar que el perno es
fabricado mediante maquinado, este proceso se identifica en la Tabla 42, del Anexo 10.8.3, para el cual
existen coeficientes que al ser remplazados en la ecuación presentada en el documento (S&T, 2008), se
obtiene el CSurface. Además se identifica la resistencia a la tracción Sult = 830 [Mpa], obtenido de la Tabla
40, Anexo 10.8.2: Tablas de pernos métricos.
58
En cuanto al cálculo del factor CNotch, se ocupan parte de las dimensiones del perno. Las
dimensiones a considerar se encuentran en grafico mostrado en la Figura 51, Anexo 10.8.3. Estas
dimensiones se utilizan para formar dos relaciones (1) y (2) como muestra el cálculo siguiente.
Dada las relaciones (1) y (2), estas se utilizan para obtener un factor Kt, esto se realiza mediante
una función aproximada a partir de los datos que se conocen y que entrega el grafico de la Figura 51,
Anexo 10.8.3.
Una vez obtenido el Kt, se debe calcular “q”, que corresponde al último coeficiente para encontrar
el valor de CNotch. Para esto se considera los datos entregados en la Figura 52, del Anexo 10.8.3. Lo cual
implica utilizar como valor de resistencia a la tracción Sult = 0,830 [Gpa]. La ecuación que representa el
factor CNotch, fue obtenida de la Ecuación 6-32 (Joseph Edward Shigley, 2008, pág. 294).
Finalmente es posible calcular el Factor de reducción Kf, que se encuentra dado por la ecuación
presentada en el documento “Understanding Fatigue Analysis” (S&T, 2008).
Al realizar el análisis de fatiga al perno M20, introduciendo un factor de reducción Kf = 0.945, se
puede visualizar en la Figura 27, mediante color rojo las zonas criticas donde fallaría el perno, además esta
imagen entrega los ciclos de vida útil del perno bajo una función logarítmica.
59
Figura 27: Log life, perno M20
Del análisis presentado, y teniendo presente la frecuencia con que varia la carga y el tiempo minimo
que debería durar el perno sin fallar, se realiza los siguientes cálculos:
Como el valor obtenido para la cantidad de años que duraría el perno es muy grande, entonces se
concluye que el perno duraría a lo menos cinco años sin presentar fallas.
8.5.3. Posicionamiento de los pernos
El posicionamiento de los pernos, se encuentra limitado por el ancho del ala que posee la viga (Figura 28),
para el cual se hará una perforación con un diámetro de 21.5 [mm].
60
Figura 28: Posicionamiento de pernos
Se utilizaran cuatro pernos M20 para cada unión entre el riel y el marco, las distancias de
separación entre dichos pernos, se pueden ver en la (Figura 29).
Figura 29: Dimensionamiento ubicación de pernos [mm]
8.6. Cálculo de pintura
Preocuparse del efecto de la corrosión es importante en la durabilidad de la estructura al igual que la
visualización de los distintos elementos para la seguridad de los operarios, por lo que considera un método
de aplicaciones de pintura para proteger la estructura completa y tolva de transporte.
Para proteger la estructura a la corrosión y visualizarla en conjunto con la tolva se decidió pintar
con esmalte epóxico Amarillo que tiene un área de cobertura por galón de 35 .
61
Tabla 16: Cantidad de áreas a pintar
Áreas Área vigas 29,374
Área atiesadores 0,2493
Área total numero de tolvas 27,83
Área total 57,45
Se agregaran dos manos de pintura por lo que se calcula con un margen de estimación en la
aplicación de la pintura, por lo cual se requiere un total de cuatro galones de esmalte epóxico amarillo.
También se considera marcar la trayectoria de la tolva con carbón, para mayor seguridad de los
operarios en el abastecimiento de las calderas. Para ello se usara un esmalte epóxico rojo.
Se pintara un área de 16,24 a lo largo de la trayectoria del trolley con la tolva de carbón, dejando un
ancho de 1 [m] como zona de precaución. Un galón de esmalte epóxico rojo cubre un área de 35 por lo
que se requiere de un galón de pintura.
8.7. Análisis de pernos a través de diseño experimental
Se verá por medio del siguiente análisis estadístico la importancia de los factores que influyen la vida útil
de los pernos que sujetaran las uniones entre el marco estructural y la viga riel del sistema. Será
relacionado con estudios de fatiga por medio de la aplicación del software Creo 1.0 y para el análisis
estadístico el software STATGRAPHICS.
La fatiga se produce por las cargas dinámicas que está sometida la estructura. Es por ello que la
resistencia de los pernos a la fatiga dependerá de la frecuencia o ciclos en que se apliquen las cargas. Se
observa que existe una variación en la frecuencia de abastecimiento de las calderas dependiendo de la
estación del año, en invierno se presenta una mayor demanda de la carga en comparación del verano.
El coeficiente de fatiga (Kf) depende de la geometría y factores propios de los pernos. Por lo cual se
necesita demostrar cuál es la significancia que produce el factor Kf en la vida útil del perno,
haciendo una comparación con los pernos seleccionados frente a las mismas condiciones de exigencia.
Nuestros factores a analizar son el tipo de perno y los ciclos según estación del año invierno-
verano. Se evaluaran cuatro tipos de perno: M10, M12, M16 y M20. Considerando sus características
geométricas y mecánicas (Tabla 17).
Tabla 17: Características geométricas y mecánicas de pernos
62
Ciclo Verano: 8,766*104, frecuencia de 2 por hora, para cinco años.
Ciclo Invierno: 1,753*105, frecuencia de 4 por hora, para cinco años.
Los ciclos proporcionados por el Software Creo 1.0 servirán para determinar la vida útil de los
pernos según sus características y condiciones a lo que estén sometidos.
8.7.1. Datos para análisis en STATGRAPHICS
Tabla 18: Símbolos para ciclos y pernos
Tabla 19: Datos para análisis
8.7.2. Hipótesis
H0: El factor fatiga del perno afecta la vida útil del perno.
H1: el factor fatiga del perno no afecta la vida útil del perno.
H0: El factor ciclo afecta la vida útil del perno.
H1: El factor ciclo no afecta la vida útil del perno.
H0: el factor fatiga y ciclo afectan la vida útil del perno.
H1: el factor fatiga y ciclo no afectan la vida útil del perno.
8.7.3. Resultados y discusión
La Tabla 20 muestra los factores que interactúan significativamente y la relación entre los factores con un
intervalo de confianza de 95%, los cuales corresponden a A, B y AB. Los Factores que estén bajo un nivel
de significancia del 0,05% presentaran diferencia significativa para la vida útil del perno.
63
Tabla 20: ANOVA
Los factores que presentan diferencia significativa son: El tipo de perno, entre los pernos y la
combinación perno y ciclo.
8.7.4. Cálculos de los componentes del modelo
Por medio de la regresión generada por los valores de la Tabla 21, se puede calcular la vida útil máxima
de perno, y determinar que perno es que presenta mejor rendimiento. Los coeficientes entregados generan
una ecuación con la cual se puede estimar la vida útil máxima del perno, determinando también el tipo de
perno, para los valores en los intervalos de cada factor [-1,1].
Tabla 21: Coef. de regresión para vida útil
Con los resultados de la tabla anterior se deduce la ecuación de vida útil del perno.
21337,57 6195,32* 1368,24* 4982,69* 2064,51* *Vida útil A B A A B
En la ecuación anterior el error más el efecto medio, están representados por la constante 1337,57.
8.7.5. Gráfico de superficie de respuesta
En la grafica de superficie (Figura 30), se muestra como varía la vida útil del perno según la
geometría y el ciclo de invierno y los ciclos de verano a lo que están sometidos, corroborando que lo
mejores resultado son presentados por los perno de mayor dimensión.
64
Figura 30: Gráfico de superficie de respuesta
8.7.6. Conclusión
Según las hipótesis planteadas obtenemos lo siguiente: se aceptan las hipótesis nulas de a), c) y se rechaza
la hipótesis nula de b).
Por medio del análisis anteriormente presentado se puede constatar que los factores más
influyentes al momento de diseñar la solución de la unión de las vigas es la geometría del y
especificaciones mecánicas del perno en conjunto con el comportamiento con los distintos ciclos de cargar
al que estará sometido. Corroborando que el perno M20 presenta las mejores cualidades para una
confiabilidad por un extenso periodo de tiempo.
8.8. Calculo de cantidad de plancha a utilizar:
Se debe utilizar planchas de 10 [mm] de espesor para fabricar los atiesadores. Para esto se considera la
Tabla 13: Metros lineales a soldar, de la cual se calculan las áreas de los elementos atiesadores,
obteniendo lo siguiente en Tabla 22.
Tabla 22: Áreas de atiesadores
N° de elementos para atiesador Área en metros cuadrados [m]2
Cuatro planchas triangulares
(90 x 480) [mm]2
0,0864
Una plancha rectangular
(350x180) [mm]2
0,063
Una plancha rectangular
(180x250) [mm]2
0,045
Una plancha rectangular
(100x180) [mm]2
0,018
Dos planchas rectangulares
(41,25x177,4) [mm]2
0,014388
Una plancha rectangular
(150 x 150) [mm]2
0,0225
TOTAL 0,2493 [m]2
La densidad del acero es de ρ = 8000 kg/m3
y el espesor de la plancha es de 10 [mm], entonces se
tiene que la cantidad de kilogramos de plancha de acero a utilizar es de 19,944 kg.
Superficie de Respuesta Estimada
-1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1
Perno
-1-0,6
-0,20,2
0,61
ciclos
-1
2
5
8
11
14
17
(X 1000,0)
Vid
a U
til
65
Debido a que durante el corte de la plancha no es posible aprovechar todo el material, se considera
al momento de realizar la compra de material, disponer de una plancha de 0,9 x 0,375 [m]2, lo que
corresponde a 26,318 kg.
Se recomienda realizar el corte de la Figura 31, con el propósito de aprovechar el material lo
máximo que sea posible.
Figura 31: Cortes a realizar en plancha de acero
8.9. Línea de abastecimiento eléctrico
El modificar la estructura actual implica que la configuración de la línea eléctrica con la que se abastece el
tecle y trolley, deje de ser útil. Para este caso el equipo de diseño decide crear un nuevo sistema que sea
capaz de proporcionar energía eléctrica al sistema de izamiento sin que este sea un obstáculo para la
circulación de la tolva con carbón.
El diseño creado consiste en unir mediante un cable de acero (10 [m] de longitud) un punto central
del marco que soporta al riel, con el muro central que se posiciona frente a las calderas. El objetivo que
tiene este cable de acero es ser guía del cable trifásico que alimenta al tecle y trolley. Para esto se
utilizaran argollas, las cuales cumplirán la función de abrazar el cable de acero en conjunto con el cable
trifásico, además permitirán deslizar la línea eléctrica a lo largo del recorrido del sistema de izamiento.
La Figura 32, muestra el diseño creado. En este diseño se utilizarán elementos denominados amarra
cables, los que tienen la función de restringir el recorrido del cable trifásico, y así permitir que el cable no
se arrolle interrumpiendo la función del diseño.
66
Figura 32: Diseño solución línea de abastecimiento eléctrico
Entre los materiales a utilizar para el desarrollo de este diseño de abastecimiento de energía, se
reutilizara el cable de acero y argollas existentes, mientras que solo se debe comprar el perno de anclaje
para sujetar el cable a la pared, y un par de enchufes trifásicos para extender la línea eléctrica. Mientras
que por el otro extremo el cable se unirá a través de una placa de acero soldada sobre el marco.
8.10. Resultados de los análisis
Se utiliza el software CREO 1.0, con el cual se analiza la estructura de izamiento en dos situaciones
especificas, teniendo como objetivo estudiar los efectos ocasionados por las cargas presentes en la
estructura. El análisis se realiza mediante el método de multi-pass de grado 9, el cual proporciona un
análisis más detallado y exacto de la estructura.
8.10.1. Esfuerzos (análisis en caso desfavorable)
Los esfuerzos generados sobre la estructura, cuando la carga de 10731 [N], se encuentra aplicada sobre el
riel curvo, en el punto más lejano del marco; se muestran en la Figura 30, allí se puede ver que los
esfuerzos mínimos generados se distinguen por la variación de colores entre azul y verde claro, fluctuando
dichos esfuerzos entre 0.000014 [MPa] y 70.1541 [MPa]. Mientras que los esfuerzos mayores varían
entre 70.1541 [MPa] y 100.220 [MPa], los cuales se representan por colores que van desde el amarillo
hasta el rojo, según la zona más crítica.
67
Figura 33: Stress von Misses
Se puede observar que la zona donde se incrementa el esfuerzo se sitúa en las uniones, en las cuales
existe un cambio de sección.
En la Figura 34, se presenta el área donde concentra el mayor esfuerzo en la estructura, esto es en la
unión entre el riel curvo con el marco. El esfuerzo aquí es de 100.220 [MPa], esto se debe a la suma de los
esfuerzos combinados (flexión y torsión), además del cambio de sección brusca.
Figura 34: Stress von Misses, zona crítica
En la Figura 35, se muestra una vista aérea del análisis efectuado en la zona que abarca la solución
propuesta. Al igual que en la figura anterior aquí se observa el sector donde se encuentra las mayores
concentraciones de esfuerzos. Además es posible notar que el esfuerzo generado en gran parte del riel
curvo es mucho menor en comparación a las zonas críticas donde se encuentran los máximos esfuerzos.
68
Figura 35: Stress von Misses, solución
8.10.2. Desplazamientos
8.10.2.1. En eje x
Debido a la carga a la que se somete la estructura, esta presenta un desplazamiento en el eje x que varia
entre -2.186 [mm] en la zona del marco a 1.249 [mm] en la parte del riel que se encuentra más alejada del
marco. Siendo así el desplazamiento máximo de 2.18620 [mm], ver Figura 36.
Figura 36: Desplazamiento en eje x
69
8.10.2.2. En eje y
El desplazamiento generado a lo largo del eje y, varía entre los -5.89425 [mm] en la zona del riel curvo
más alejada del marco, mientras que en las columnas y parte de los rieles rectos se presenta una de sus
mínimas variaciones que es de 0.16717 [mm], ver Figura 37.
El desplazamiento mayor sobre este eje es en aquellos puntos donde se aplica la carga, mientras
que en la zona donde se une el atiesador con el marco se produce uno de los desplazamientos menores
sobre el eje y.
Figura 37: Desplazamiento en eje y
8.10.2.3. En eje z
El desplazamiento con respecto al eje z, presenta su mayor variación en la zona donde el riel curvo
comienza a tomar su forma recta, en la cercanía de la unión con el marco. Aquí el desplazamiento es de
1.275 [mm], y se debe al momento de torsión que se genera en el marco debido a la carga. Mientras que el
desplazamiento mínimo se presenta en las columnas más retiradas y parte de la zona del riel como se
muestra en la Figura 38.
70
Figura 38: Desplazamiento en eje z
8.10.2.4. Deformación de la estructura
En la Figura 39, se aprecia el desplazamiento de las partículas en la estructura, lo que lleva a la
deformación de esta y en si el origen de las tensiones presentes. Allí al momento de ejercer la carga para el
caso más desfavorable descrito, se produce un momento de torsión sobre el marco, lo cual explica que las
zonas del riel recto se desplacen mayormente en forma vertical hacia arriba (sobre el eje y), mientras que
el riel curvo lo haga en dirección de la carga, producto de esta sobre el eje y también.
Figura 39: Deformación von Misses
8.10.2.5. Diagrama de esfuerzos (en caso desfavorable)
En la figura comparativa siguiente (Figura 40), se presenta a la izquierda los esfuerzos a lo largo del riel
curvo, que posee los “pics” en las uniones con el marco., al medio se puede observar cómo el esfuerzo
cortante varía en el riel curvo, siendo la zona más afectada la mitad de este y a la derecha se presenta la
variación del esfuerzo normal, ubicando los puntos máximos iguales a la figura izquierda, esto quiere
decir, que los esfuerzos sufridos en el riel, son principalmente normal, debido a la flexión ocasionada.
71
Figura 40: Diagrama de esfuerzos
8.10.2.6. Esfuerzos (segundo caso)
El segundo caso presentado, Figura 41. Ocurre cuando la carga se sitúa en el punto medio de uno de los
rieles rectos que une dos columnas entre si. Aquí se ejerce una carga de 10731 [N], para la cual se
observa que la concentración de esfuerzos se presenta en la zona de aplicación de la carga. Siendo el
esfuerzo máximo de 71.63 [MPa].
Figura 41: Esfuerzo Von Misses , sobre riel recto
72
8.10.2.7. Diagrama de esfuerzos (segundo caso)
En la Figura 42 (parte izquierda), se aprecian tres diagramas, de los cuales el primero representa las
tensiones generadas a lo largo del riel recto analizado. Allí se ve como la concentración de esfuerzos
aumenta considerablemente en la zona donde se aplica la carga.
Para el diagrama de la Figura 42 ( parte central), se representan las tensiones generadas a lo largo
del eje y, observando que en el punto donde se aplica la carga, las tensiones aumentan.
En cuanto al diagrama de la Figura 42 ( parte derecha), se representan el diagrama de tensiones en
dirección al eje x. Se visualiza en el diagrama de la fig. a), al igual que en el diagrama de esfuerzos
combinados que las tensiones aumentan considerablemente en el punto donde se aplica la carga.
Se concluye que los esfuerzos cortantes son mínimos, siendo superados por los esfuerzos normales,
tracción y compresión producto de la flexión.
Figura 42: Gráfico de esfuerzo sobre riel recto
Con los análisis anteriores se determina que el riel podrá trabajar en condiciones normal, con
esfuerzos máximos sobre este de aproximadamente 25 [MPa]. Por otra parte, la viga que une dos
columnas formando un marco, es la pieza más afectada, ya que es sometida a esfuerzos de flexión y
tracción, que alcanza los 100.2 [Mpa]. Sin embargo, considerando que para la estructura se posee un
esfuerzo de trabajo igual a 107 [Mpa], se concluye que la estructura resistirá en las condiciones
operacionales instauradas, con un coeficiente de seguridad igual a 2.2.
73
9. SOPORTE DEL PRODUCTO
El equipo de diseño debe preocuparse de la relación con los clientes. Dando a conocer el precio del
producto a través de cotizaciones de sus partes y servicios a incluir, junto con sugerir los proveedores.
También se incluirá la entrega de planos para quienes se encarguen de la fabricación y montaje.
9.1. Información al cliente
9.1.1. Cotizaciones
Se realizaran los cálculos de costos de materiales (Tabla 23), en base a las cotizaciones presentadas en
Anexo 9: Cotizaciones y cantidades requeridas, dividiendo en los ítems: materiales para estructura,
materiales para línea de abastecimiento y pinturas.
Tabla 23: Costos de materiales
Cantidad Descripción Articulo Valor ( IVA inc.) 12 [m] Viga IPN-200 $ 164.112
01 Cilindrado de viga IPN-200 $ 124.950
01 Plancha acero 10 [mm], 900x375[mm] $ 24.111
10 [kg] Electrodo soldadura 7018-RH 5/32¨ $ 25.000
08 Perno M20, G. 8.8 40 [mm] con tuerca $ 8.445
04 Perno de anclaje 3/8x3 ½¨ $ 1.333
Total materiales para estructura $ 347.951 01 Conector macho volante 3P+T 32 [A] $ 3.279
01 Conector hembra volante 3P+T 32 [A] $ 4.275
03 Abrazaderas metálicas 16[mm] 50 un. $ 3.870
30 Amarra cable 280x4.8 [mm] $ 1.080
Total materiales para línea abastecimiento eléctrico $ 12.501 03 [Gl] Esmalte epoxico amarillo Tricolor $ 104.437
01 [Gl] Anticorrosivo epoxico rojo Tricolor $ 28.654
Total pinturas $ 133.091 01 Transporte de viga, Stgo- Valdivia 8x0,2x0,09 [m] 210 [kg] $ 22.991
01 Transporte de viga, Stgo- Valdivia 4x0,2x0,09 [m] 105 [kg] $ 11.517
Total transporte Stgo. - Valdivia $ 34.508
Total $ 528.051
De lo anterior, según los cálculos, se estima un costo de materiales de $ 528.051 (CLP, I.V.A.
incluido). También se ha consultado por costos de montaje a un contratista, con el fin de realizar una
estimación del valor de este ítem, el cual fue de $ 1.100.000 (CLP).
9.1.2. Planos
Junto al informe de proyecto, se adjuntan planos de montaje y fabricación.
74
9.2. Recomendaciones
9.2.1. Pasos para el ensamble
El equipo de diseño recomienda seguir las siguientes etapas al momento del ensamble del producto:
Etapa N° 1
Mediante la utilización de andamios, se accede a la ubicación donde se sitúan los rieles rectos,
realizar cortes correspondientes a los rieles, disminuyendo la longitud de estos.
Se utiliza el material cortado de los rieles rectos, el cual mediante soldadura al arco se unirá
para crear una viga de longitud 3920 [mm].
Se procede a unir los respectivos atiesadores que llevara la viga confeccionada con el material
sobrante.
Mediante soldadura y por medio de la viga construida se procede a establecer el nexo entre los
dos soportes de riel correspondientes, el cual en conjunto formara un marco que cumple la
función de soportar el riel curvo.
Etapa N° 2
Elevar el riel curvo hasta que tope el marco, luego unir mediante soldadura al arco el riel curvo
con sus respectivos rieles rectos.
Realizar las perforaciones correspondientes, para luego afirmar el riel curvo al marco.
Instalar el sistema de abastecimiento de energía eléctrica.
Aplicar pinturas a tolvas de transporte y estructura.
9.2.2. Pasos para la ejecución de soldadura
Para cumplir la norma NCh-428, artículo 10 (acerca de soldaduras), el equipo de diseño recomienda para
unir los atiesadores y realizar el empalme de las vigas correspondiente, se deberían seguir los pasos a
continuación:
1. Se debe limpiar las superficies a soldar, de tal manera que queden libre de oxido, escoria, grasa,
pintura y otras materias extraña.
2. Se debe asegurar que las piezas a soldar y electrodos, estén completamente libres de humedad.
3. Se deberá regular la temperatura del material a soldar, tal como lo indica la norma NCh-428 art.
10-5, (temperatura superior a -15 [°C]).
4. Se procede a depositar el material aportado por el electrodo INDURA 7018-RH, sobre la ranura
existente en la unión de la estructura.
75
10. LOGROS
Actualmente, los operarios utilizan un carro para movilizar las tolvas de trasporte desde el acopio de
carbón hasta el tecle eléctrico más alejado.
Se realizó una medición en terreno para determinar la fuerza requerida para mover una tolva de
transporte con el carro, por medio de una celda de carga de capacidad 10 [KN]. En Tabla 24, los
resultados fueron los siguientes:
Tabla 24: Fuerza requerida para mover tolvas
Tolva de transporte Fuerza requerida
Vacía 250 25N Kg
Llena con carbón 790 79N Kg
Los operarios además señalan que la medición se realizó con el carro en buenas condiciones.
Eventualmente sin mantención, las ruedas se encuentran desinfladas, forzando a tres operarios a realizar la
misma tarea.
El Articulo 2° de la Ley 20001, específica: “Si la manipulación manual es inevitable y las ayudas
mecánicas no pueden usarse, no se permitirá que se opere con cargas superiores a 50 kilogramos “, en
relación a las condiciones de trabajos de carga, arrastre y manipulación manual de objetos sin la asistencia
de maquinaria, es decir, usando sólo fuerza humana. Por lo tanto, la solución que generará el proyecto al
facilitar el posicionamiento de las tolvas de transporte beneficiará directamente al operario en su salud y al
empleador en el cumplimiento de este artículo del Código del Trabajo.
La disponibilidad en la operación es uno de los mayores problemas que presentaba el sistema
actual, nuestro clientes demandaban la solución más optima para ese requerimiento.
Gracias a la solución propuesta por el equipo de diseño, se logra disminuir el tiempo de operación durante
el posicionamiento de la tolva con carbón sobre el riel que se encuentra a mayor distancia del acopio.
Uno de los principales requerimientos de los mandantes, es mantener la estructura, con respecto a
esto la solución actual conserva prácticamente en un ochenta porciento de la estructura actual, y las
modificaciones que se realizaran a la estructura existente, será reutilizando el material
Al unir las dos estructuras por medio del riel curvo, se permite la utilización de un solo conjuto de
trolley con tecle. Esto proporciona al momento de falla, que el conjunto sea intercambiado por otro que se
encuentra de reserva, disminuyendo así el tiempo en que la caldera deja de ser abastecida. Siendo este el
propósito más importante del proyecto
76
11. ANEXOS
10.1. Anexo 1: Tabla de buenas prácticas
Tabla 25: Buenas prácticas
(Ullman, 2010, pág. 93)
10.2. Anexo 2: Elección de un proyecto
Esta fase se realizó prematuramente con los conocimientos y experiencia que el equipo contaba hasta ese
momento, forzándolo a estimar algunos procesos que más adelante se contradecirán y se consideran
erróneos por parte del equipo, rectificándose en etapas posteriores.
A continuación se detalla la creación, evaluación y jerarquización de criterios de elección:
10.2.1. Creación de criterios de elección
1. El interés del grupo para realizar el proyecto.
2. Posibilidad de visitas a terreno.
3. Herramientas disponibles.
4. Alta intensidad en la competitividad.
5. Lo que se aprende es satisfactorio.
6. El problema satisface lo que se desea aprender.
77
10.2.2. Evaluación de criterios
Es necesario dar nivel de importancia de los criterios anteriores y si se debe quitar o agregar algún otro. Se
crea la siguiente Tabla 26, donde se pregunta a los miembros del equipo el grado de aceptación con el
criterio: Totalmente de acuerdo (TA), acuerdo (A), neutral (N), desacuerdo (D), totalmente en desacuerdo
(TD). También el grado de confiabilidad de su respuesta: Muy confiado (MC), confiado (C), neutral (N),
desconfiado (D), muy desconfiado (MD).
Tabla 26: Evaluación de criterios
Criterios Cristian Aguilar Felipe Cazaux Flaminio Becerra Hardy Muñoz
Acuerdo Confianza Acuerdo Confianza Acuerdo Confianza Acuerdo Confianza
Posibilidad de visitas
a terreno TA C N N A C A C
Lo que se aprende es
satisfactorio TA C A C A C A C
El problema satisface
lo que se desea
aprender A MC A MC A MC A C
El interés del grupo
para realizar el
proyecto TA MC TA MC TA MC A MC
Alta intensidad en la
competitividad A A A A
Herramientas
disponibles TD C A N A N N N
Luego de analizar en grupo los criterios el orden de importancia es:
a. Posibilidad de visitas a terreno.
b. Lo que se aprende es satisfactorio.
c. El problema satisface lo que se desea aprender.
d. El interés del grupo para realizar el proyecto.
e. Alta intensidad en la competitividad.
Se decide eliminar "Herramientas disponibles", ya que no aplica a ninguno de los proyectos en
cuestión.
Con los criterios ya decididos, se procede a analizar cada proyecto con el método de análisis FODA.
78
Tabla 27: Análisis FODA 1
Análisis FODA 1 Organización de Diseño: Grupo 7 V Semestre Fecha: 11 Abril 2012
1. Tema del Análisis FODA: "Sistema de izamiento de carbón para abastecimiento de
c caldera"
Fortalezas:
El equipo de trabajo tiene completo
interés y motivación por realizar el
proyecto.
Alta competitividad.
El equipo cuenta con usuario de Pro
engineer competentes.
Conocimientos que la universidad
Austral de Chile, proporcionará al
equipo, tales como estática y
deformaciones.
el equipo posee algunos conocimientos
previos.
Debilidades:
No utilizamos programas para analizar
sistemas de izamiento.
Falta de experiencia.
Oportunidades:
El proyecto abarca conceptos
desafiantes.
Instruirse acerca de seguridad.
Amplia comunicación con los clientes.
Amenazas:
Espacio disponible, relativamente
estrecho.
Poca iluminación.
Miembros del Equipo:
Cristian Aguilar
Flaminio Becerra
Felipe Cazaux
Hardy Muñoz
Preparado por: Grupo 7
Revisado por: Héctor Noriega
Aprobado por: Héctor Noriega
10.2.3. Justificación del análisis FODA 1
"El equipo de trabajo tiene completo interés y motivación por realizar el proyecto": La
motivación de un equipo es primordial, ya que impulsa a realizar un trabajo que de lo contrario
sería arduo.
"Alta competitividad": Es causa de que el problema es común en la industria, entregando una
responsabilidad de generar una solución competente, con un diseño profesional.
"El equipo cuenta con usuario de Pro Engineer competentes": Si bien, el nivel de manejo no es
avanzado, se posee habilidades competentes dentro del curso en un programa eficiente para la
modelación.
"Conocimientos que la Universidad Austral de Chile proporcionará al equipo, tales como
estática y deformaciones": Dentro del periodo de formación de este semestre, se inculcarán
conocimientos, que en conjunto con la investigación grupal, el equipo será capaz de crear una
solución que satisfaga la necesidad del cliente.
"El equipo posee algunos conocimientos previos": El equipo ha tenido la oportunidad de
observar el espacio donde funcionará el producto, noción de las características de la caldera que se
79
deberá abastecer de carbón. Con esto, el equipo logra pronosticar algunas ideas, a diferencia otros
proyectos de los cuales no es posible, siendo éste, un importante criterio de elección.
"No utilizamos programas para analizar sistemas de izamiento": Si bien se menciona el uso de
Pro Engineer, el equipo no maneja un área de éste u otro programa que analice eficientemente un
sistema de izamiento, el cual ahorraría tiempo.
"Falta de experiencia": Al ser el primer proyecto, se carece de conocimientos que se adquieren
con la experiencia, tales como, entender las necesidades, restricciones, como afrontar ciertas
dificultades, entre otras.
"El proyecto abarca conceptos desafiantes": El proyecto consta de una serie de problemas, tal
como es fijar una estructura para el depósito de carbón, estructura que soporte el sistema de
izamiento y fuente de energía (motor, gravedad, etc.) que desplace el carbón desde el depósito
hasta la caldera.
"Instruirse acerca de seguridad": Como el producto debe funcionar en un ambiente de alta
temperatura. se debe tener precauciones de seguridad ante posibles accidentes, los cuales debe
cumplir el producto a realizar.
"Amplia comunicación con los clientes": Es un factor importante, al ser el primer proyecto, no
bastará con pocas visitas a terreno, ya que se debe aprender que factores o parámetros son los que
interesarán.
"Espacio disponible, relativamente estrecho": El espacio para ubicar el producto, es estrecho,
complicando y restringiendo posibles soluciones.
"Poca iluminación": La falta de iluminación, puede significar riesgos para los laborantes, a los
cuales les podrá entorpecer el producto, haciendo que éste no sea compatible con el ambiente en
que esté.
80
Tabla 28: Análisis FODA 2
Análisis FODA 2 Organización de Diseño: Grupo 7 V Semestre Fecha: 11 Abril 2012
Tema del Análisis FODA: " Galpón industrial con puente grúa"
Fortalezas:
El equipo cuenta con usuario de Pro-
Engineer competentes.
Conocimientos que la universidad Austral
de Chile, proporcionará al equipo, tales
como estática y deformaciones.
Debilidades:
Se necesita usar programas
desconocidos para estructuras.
Tiempo estimado para modelar es
extenso.
Oportunidades:
Conocer un problema común para nuestro
rubro.
Conocer normativas relacionadas con un
tema común.
Adquirir reputación, por una empresa
preocupada sobre futuros ingenieros.
Comunicación relativamente cercana con
los clientes.
Amenazas:
La estructura es a gran escala.
Competitividad alta, ya que se ha hecho
el proyecto antes.
Gran cantidad de planos a presentar.
Miembros del Equipo:
Cristian Aguilar
Flaminio Becerra
Felipe Cazaux
Hardy Muñoz
Preparado por: Grupo 7
Revisado por: Héctor Noriega
Aprobado por: Héctor Noriega
10.2.4. Justificación análisis FODA 2
"El equipo cuenta con usuario de Pro Engineer competentes": Misma razón que en el análisis
anterior.
"Conocimientos que la universidad Austral de Chile, proporcionará al equipo, tales como
estática y deformaciones": Misma razón que en el análisis anterior.
"Se necesita usar programas desconocidos para estructuras": El proyecto consta de factores
aerodinámicos, los cuales producen vibración a partir del movimiento de aire. Para analizar lo que
ocurre con estos factores, es necesario utilizar algún programa que hasta el momento es
desconocido.
"Tiempo estimado para modelar es extenso": Suponemos que este proyecto consta de piezas más
grandes que el resto, y en mayor cantidad, por lo que el desarrollo del modelo consumirá más
tiempo para el equipo, sin otorgar nuevo conocimiento, sino más bien, habilidad en el programa
de modelado.
"Conocer un problema común para nuestro rubro": Es importante comenzar a tener relación
con problemas típicos para un ingeniero mecánico, tales como son las estructuras. Si bien quizás
no se diseñarán galpones, con este proyecto se obtendrá una base de conocimiento significativa en
cuando a estructuras.
"Conocer normativas relacionadas con un tema común": Al igual que el punto anterior, es
importante conocer sobre normativas que afectan a éste.
81
"Adquirir reputación, por una empresa preocupada sobre futuros ingenieros": Es importante
formar una reputación de la carrera, sobre todo con una empresa destacada en la zona, aunque no
sea tan influyente mientras aún se estudia.
"Comunicación relativamente cercana con los clientes": La importancia de la comunicación con
el cliente se mencionó anteriormente, pero para este proyecto se espera que sea más difícil la
interacción con ellos, por ser una empresa privada, a diferencia del hospital regional.
"La estructura es a gran escala": Al ser una estructura grande, en comparación al resto de
proyectos, puede significar un reto importante en donde los errores cometidos serán más notorios.
"Competitividad alta": La competitividad para este caso, resulta una amenaza, ya que se han
realizado proyectos sobre esta necesidad, dejando el nivel de calidad del proyecto más alto y el
equipo no cuenta con una visión sobre el tema.
"Gran cantidad de planos a presentar": La cantidad de piezas, significa la creación de planos de
esta, al ser un número grande, puede significar a una falta de tiempo para el equipo.
10.3. Anexo 3: Visitas
10.3.1. Visita N° 1
Uno de los pasos para la identificación o descubrimiento del proyecto, es conocer ciertas especificaciones
de éste, tal como son la geometría de la estructura y entorno ya existentes, el sistema de funcionamiento,
entre otros.
Con el objetivo anterior se coordina la primera visita con fecha Viernes 13 de Abril del presente, a
la sala de calderas del hospital base Valdivia (Tarea número cinco, Carta Gantt) con el Ing. Juan
Rodríguez, persona a cargo de la seguridad de ésta y responsable en nuestra guía.
Para realizar esta tarea con mayor calidad, pese al poco tiempo de anticipación, se planifica un
método para la obtención de información, el cual consiste en una lista de interrogantes, detallada más
adelante.
Al finalizar esta visita, se logra obtener el objetivo general del proyecto (problema a resolver), un
bosquejo referencial para usos posteriores, fotografías, videos, requerimientos por parte del Ing. Juan
Rodríguez y reconocer el sistema de operación actual.
Si bien las visitas forman parte de la adquisición de requerimientos y especificaciones, esta primera,
además de ello, sirve como entendimiento de lo que es la primera etapa de un diseño proyectista; su
descubrimiento.
Por otra parte, se anticipó un bosquejo del área de trabajo para facilitar el descubrimiento del
producto en la visita número dos, además de visualizar la información que se necesitará para la definición
del producto.
Lista de interrogantes:
geometría de vagones, para bosquejo.
geometría del espacio, para bosquejo.
Ubicación del Tecle.
geometría de las vigas, para bosquejo.
Precauciones de seguridad.
Tipo de materiales utilizados.
82
Tipos de uniones entre vigas.
Influencia de la temperatura sobre la estructura.
Tipo de carbón utilizado.
Frecuencia de uso.
Lista de información extraída:
Vigas doble T A3724ES.
Tecle utilizado: Kito de 1 Ton Máx. Traveling speed (10 [m/min] a 50 Hz y 12[m/min] 60Hz).
Precauciones de seguridad: Alejarse del área bajo el tecle en movimiento.
La temperatura es baja para provocar anomalías en la viga.
El carbón utilizado es térmico bituminoso de 6.500 kcal/kg.
La frecuencia de carga es de 600kg cada 40 min. en temporada de invierno y cada 90 min en
temporada de verano.
Bosquejos digitalizados para facilitar toma de mediciones en la segunda visita:
Figura 43: Bosquejo digitalizado de planta de galpón y vigas
83
Figura 44: Bosquejo digitalizado de viga
10.3.2. Visita N° 2
El día lunes 30 de abril de 2012 el equipo realizó una segunda visita a terreno, con el fin de realizar un
levantamiento de información. Esta actividad consistió en llenar un bosquejo de la estructura con sus
respectivas medidas necesarias para la realización del proyecto. Cabe señalar que este bosquejo fue
realizado con anterioridad el día martes 24 de abril del 2012, después de la primera visita.
Otro objetivo de nuestra segunda visita fue aplicar el cuestionario a los respectivos clientes (Anexo
5: Cuestionario)
84
Bosquejos con medidas :
Figura 45: Bosquejo con medidas
85
Figura 46: Bosquejo pie derecho con medidas
86
10.3.3. Visitas no programadas
Este tipo de visitas se realizaron con el motivo de buscar información específica, tales como preguntas del
cuestionario (Anexo 5: Cuestionario), altura mínima y máxima para las columnas. También con efecto de
las medidas mencionadas, se realizó un bosquejo de la tolva de llenado y de descargas que se muestran en
la figura siguiente:
Figura 47: Tolvas de llenado y descarga
10.4. Anexo 4: Respecto a la Planificación
Se incluye link de información, el cual contiene tareas programadas y la bitácora del proyecto:
https://sites.google.com/site/chas92/ .
87
Tabla 29: Primera versión de Carta Gantt
Luego, se crea una segunda versión de la Carta Gantt (Tabla 30) ajustando y agregando subprocesos
importantes a considerar en el proceso de diseño:
88
Tabla 30: Segunda versión de Carta Gantt
Como Carta Gantt final se presenta una tercera versión, la cual fue presentada previamente en Tabla
1 al principio del informe. A continuación, se muestran todos los gráficos de Cartas Gantt generados:
89
Figura 48: Grafico primera Carta Gantt
90
Figura 49: Grafico segunda Carta Gantt
91
Figura 50: Gráfico tercera Carta Gantt, final
92
10.5. Anexo 5: Cuestionario
A continuación se realizarán cuestionarios divididos por clientes:
Para Ing. Mecánico Juan Rodríguez, Inspector Técnico de Obras (ITO), Encargado
además de la Manufactura y Montaje:
1. ¿Cómo opera el sistema actual?
2. ¿Se utilizan ambas calderas simultáneamente?
3. ¿Cómo se transporta el carbón de la despensa hacia la caldera?
4. ¿Con cuanto carbón se carga cada caldera?
5. ¿De qué material son las vigas utilizadas actualmente?
6. ¿Qué problemas ha presentado el actual sistema de izamiento?
7. ¿Cuál es el objetivo principal del proyecto?
8. ¿Qué espacios no debemos utilizar?, ya sea para viga de soporte o movimiento de los
tecles.
9. Para almacenar el carbón se implementará (según han dicho) una despensa ubicada
en el actual lugar de acopio. Siendo así ¿Cree que existirán zonas donde el tecle y su
estructura no podrán ocupar? (en el caso de que el tecle pasara por dentro de la
despensa).
10. ¿Cuáles son las condiciones ambiéntales relacionadas al proyecto?
11. ¿Qué tipo de pintura utilizan actualmente?
12. ¿Qué otro factores Ud. cree que son importantes a considerar? y ¿Por qué?
Para encargado de mantenimiento y recursos: Yerko Muñoz Supervisor de SS.
Generales Ing. Equipos médicos:
Preguntas generales:
1. ¿Es importante la apariencia de la estructura?, si es así del 1 al 10, ¿Cuan buena debe
ser la apariencia?
2. Para almacenar el carbón se implementará (según han dicho) una despensa ubicada
en el actual lugar de acopio. Siendo así ¿Cree que existirán zonas donde el tecle y su
estructura no podrán ocupar? (en el caso de que el tecle pasara por dentro de la
despensa).
3. ¿Qué capital existe para este proyecto?
En cuanto a la mantención:
1. ¿Cómo realizan la mantención? y ¿Con qué frecuencia?
2. ¿Qué problemas ha presentado el actual sistema de izamiento?
3. ¿Los operarios realizan labores de mantención? ¿De qué tipo?
4. ¿Existe algún tipo de dificultad en la mantención?
5. ¿Necesita de alguna facilidad no otorgada hasta el momento?
6. ¿Ayuda o es necesaria la implementación de una garita?, con garita se refiere a un
andamio fijo a uno de los pies derecho de la estructura.
7. ¿Qué facilidades debe tener el producto para la mantención?
8. ¿Qué criterios toman para determinar el fin de la vida útil del producto?
9. ¿Qué otros factores Ud. cree que son importantes a considerar?
93
En cuanto a la prevención de riesgos:
1. ¿Qué requisitos de seguridad se deben cumplir, en estructuras y tecles?
2. ¿Cuáles son las condiciones ambiéntales relacionadas al proyecto?
3. ¿Qué espacios no debemos utilizar?, ya sea para viga de soporte o movimiento de los
tecles.
4. ¿Existe algún cuidado con el color de la pintura utilizada, en estructura, tecles,
cadenas u otros?
5. ¿Qué cuidados visuales, auditivos, o de otro tipo se deben considerar?
6. ¿Es necesario líneas de seguridad en el suelo, que identifiquen el área donde el tecle
opera?
7. ¿Cree que hay falta de iluminación en el sector de abastecimiento? (lugar de acopio
de carbón, estructura y tolvas).
8. ¿Ayudaría o es necesario la implementación de una alarma sonora, para indicar que
el tecle está en movimiento?
9. Para el lugar donde se ubican las tolvas de transportes (cilindros cónicos), ¿Debe
fijarse un lugar de ubicación?, ya que pueden obstruir las salidas de emergencia.
10. ¿Existe alguna necesidad de informar de fallas automáticamente?, por ejemplo
sensores que indiquen la tensión de la cuerda y el gancho de los cilindros.
11. ¿Qué otro factores Ud. cree que son importantes a considerar? y ¿Por qué?
Para los operarios, encargados del abastecimiento de carbón para las calderas:
1. ¿Con cuanta frecuencia se cargan con carbón las calderas?
2. ¿Se utilizan ambas calderas simultáneamente?
3. ¿Realizan labores de mantención? ¿De qué tipo?
4. ¿Qué problemas ha presentado el actual sistema de izamiento?
5. ¿A qué necesidades de Ud. le gustaría que responda el sistema de izamiento en
cuanto a su operación?
6. ¿Encuentra mucha la fuerza realizada para mover los cilindros desde el lugar de
acopio hacia la segunda estructura?
7. ¿Parte de la estructura estorba en el llenado de las tolvas?
8. Luego del sismo del 27 de Febrero, ¿Se presentó algún tipo de daño a la estructura o
que ésta estorbara en la evacuación?
9. ¿Qué factores Ud. cree que son importantes a considerar? y ¿Por qué?
94
10.6. Anexo 6: Tipo de especificaciones ingenieriles
La siguiente tabla sirve para ayudar a encontrar especificaciones, ya que puede revelar el área donde
falta información.
Tabla 31: Tipo de especificaciones ingenieriles.
(Ullman, 2010, pág. 160)
10.7. Anexo 8: Evaluación de criterio para matriz de Pugh
Al comparar cada concepto generado con el sistema de abastecimiento actual (datum), se
obtiene la siguiente evaluación, con su correspondiente justificación.
Tabla 32: Criterios, concepto 1 v/s Datum
Criterio Concepto 1 v/s Datum
Adaptable al galpón Se debe modificar el muro del galpón, ya que impide el paso del riel. Evaluación: (-1)
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle Se utiliza un solo tecle, disminuyendo el número de pasos para su reposición. Evaluación: (1)
Eficiencia en el tiempo de operación Se evita el uso del carro para transportar la tolva, disminuyendo el número de pasos en la operación del sistema. Evaluación: (1)
Trabajo físico necesario por el operario Se evita el transporte manual de la tolva, disminuyendo el trabajo ejercido por el operario. Evaluación: (1)
Uso de materiales y componentes existentes Al igual que el datum se utiliza material y componentes existentes. Evaluación: (0)
95
Tabla 33: Criterios, concepto 2 v/s Datum
Criterio Concepto 2 v/s Datum
Adaptable al galpón Se debe modificar el muro la cual impide colocar el nuevo soporte que mantendrá al riel. Evaluación: (-1)
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle Se utiliza un solo tecle, disminuyendo el número de pasos para su reposición. Evaluación: (1)
Eficiencia en el tiempo de operación Se evita el uso del carro para transportar la tolva, disminuyendo el número de pasos en la operación del sistema. Evaluación: (1)
Trabajo físico necesario por el operario Se evita el transporte manual de la tolva, disminuyendo el trabajo ejercido por el operario. Evaluación: (1)
Uso de materiales y componentes existentes Al igual que el datum se utiliza material y componentes existentes. Evaluación: (0)
Tabla 34: Criterios, concepto 3 v/s Datum
Criterio Concepto 3 v/s Datum
Adaptable al galpón Se debe acortar la longitud de los actuales rieles, por lo tanto no causa modificación estructural en el galpón. Evaluación: (0)
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle Se utiliza un solo tecle, disminuyendo el número de pasos para su reposición. Evaluación: (1)
Eficiencia en el tiempo de operación Se evita el uso del carro para transportar la tolva, disminuyendo el número de pasos en la operación del sistema. Evaluación: (1)
Trabajo físico necesario por el operario Se evita el transporte manual de la tolva, disminuyendo el trabajo ejercido por el operario. Evaluación: (1)
Uso de materiales y componentes existentes Al igual que el datum se utiliza material y componentes existentes. Evaluación: (0)
Tabla 35: Criterios, concepto 4 v/s Datum
Criterio Concepto 4 v/s Datum
Adaptable al galpón Se debe modificar un muro del galpón, ya que impide el paso del puente grúa. Evaluación: (-1)
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle Se utiliza un solo tecle, disminuyendo el número de pasos para su reposición. Evaluación: (1)
Eficiencia en el tiempo de operación Se evita el uso del carro para transportar la tolva, disminuyendo el número de pasos en la operación del sistema. Evaluación: (1)
Trabajo físico necesario por el operario Se evita el transporte manual de la tolva, disminuyendo el trabajo ejercido por el operario. Evaluación: (1)
Uso de materiales y componentes existentes Se requieren nuevos componentes. Evaluación: (-1)
96
Tabla 36: Criterios, concepto 5 v/s Datum
Criterio Concepto 5 v/s Datum
Adaptable al galpón Se debe modificar un muro del galpón, ya que impide el paso del puente grúa. Evaluación: (-1)
Eficiencia en el tiempo de reposición del tecle Se utiliza un solo tecle, disminuyendo el número de pasos para su reposición. Evaluación: (1)
Eficiencia en el tiempo de operación Se evita el uso del carro para transportar la tolva, disminuyendo el número de pasos en la operación del sistema. Evaluación: (0)
Trabajo físico necesario por el operario Se evita mover el carro, pero igual se efectúa trabajo físico al mover la tornamesa. Evaluación: (0)
Uso de materiales y componentes existentes Al igual que el datum se utiliza material y componentes existentes. Evaluación: (0)
10.8. Anexo 9: Respecto al desarrollo del producto
10.8.1. Tablas de especificaciones técnicas de los fabricantes
A continuación se presentaran las tablas de especificaciones del trolley y tecle eléctrico disponibles
en el Hospital Base Valdivia.
Específicamente, el trolley corresponde a uno de doble velocidad, código MR010SD. En la
Tabla 37, se observa que su peso es de 34 [Kg].
Tabla 37: Especificaciones métricas del trolley
De la Tabla 38, para el tecle eléctrico código ER010S, el peso es de 61 [Kg] y el peso
adicional por metro de levante es de 1.38 [Kg].
97
Tabla 38: Especificaciones métricas del tecle eléctrico
10.8.2. Tablas de pernos métricos
Tabla 39: Característica de los pernos según su Número, su resistencia
98
Tabla 40: Características de pernos según su área de esfuerzo en tracción
10.8.3. Tablas para el factor de resistencia a la fatiga
Tabla 41: Coeficiente de carga según el tipo de carga
Tabla 42: Factores influyentes en la fatiga según su acabado superficial
99
Tabla 43: Dimensiones de pernos
Tabla 44: Dimensiones de tuercas
Figura 51: Factor de concentración de esfuerzo geométrico
100
Figura 52: Factor Q vs. radio de entalle
10.8.4. Análisis de fatiga para perno M10
Para este caso solo se consideran los resultados, sin entrar en mayor detalle. Dichos resultados se
obtuvieron realizando el mismo procedimiento seguido para el análisis de fatiga del perno M20.
101
Los resultados muestran que el perno M10, presentaría falla antes de los cinco años de
utilidad.
102
10.9. Anexo 9: Cotizaciones
Cotización de vigas IPN- 200:
Figura 53: Cotización viga IPN - 200
El 27 de junio de 2012 12:20, Ventas <[email protected]> escribió:
Don Felipe cotizo a continuación lo solicitado: Viga IPN 200 en 6 o 12 metros
Peso : 26.3 kilos por metro
Precio : $ 520 por kilo
Entrega inmediata
Material puesto sobre camión en nuestras bodegas de Santiago. Pago contado o a convenir. Atentamente
Vicente Reyes Donoso
Gerente de Ventas
Chile España 8013
La Cisterna – Santiago, Chile Teléfono: 558 67 16
Celular: 9-539 27 55
www.copromet.cl
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- De: Felipe Cazaux [mailto:[email protected]]
Enviado el: miércoles, 27 de junio de 2012 12:11 Para: [email protected] Asunto: COTIZACION
Sres. COPROMET S.A.
Junto con saludar, solicito cotizar a la brevedad lo siguiente:
Viga IPN 200
Cantidades:
-01 de 6 metros
-01 de 12 metros
Atentamente...
Felipe Cazaux S.
16.871684-2
Estudiante Ingeniería Civil Mecánica
Universidad Austral de Chile - Valdivia
Guacolda # 659 - Valdivia
Tel. 7 9651003
103
Cotización: Servicio de cilindrado de vigas.
Figura 54: Cotización cilindrado de viga
104
Cotización: Plancha de acero 10 [mm], electrodo 7018- RH 5/32”.
Figura 55: Cotización plancha de acero, soldaduras
105
Cotización: Perno M20, grado 8.8 de largo 40 [mm] con tuerca y pernos de anclaje.
Figura 56: Perno M20 con tuerca
106
Cotización: Esmalte epóxico amarillo.
Figura 57: Esmalte epóxido amarillo y diluyente
107
Cotización: Anticorrosivo epóxico rojo.
Figura 58: Anticorrosivo epóxico rojo
108
Cotización: Unión hembra- macho volante para cordón trifásico.
Figura 59: Unión hembra- macho volante
Cotización: Abrazaderas metálicas.
Figura 60: Abrazaderas
109
Cotización: Amarra para cable.
Figura 61: Cotización amarra cable
110
Cotización: Transporte de vigas a Valdivia
Figura 62: Transporte de viga cilindrada
. Figura 63: Transporte de viga recta
111
BIBLIOGRAFÍA
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