DISEÑO Y ELABORACIÓN DE PROPUESTA DE MONTAJE …

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DISEÑO Y ELABORACIÓN DE PROPUESTA DE MONTAJE

PARA LA PLANTA AM 60S 4A PARA LA EMPRESA ALTRON

INGENIERIA

MARÍA JOSÉ CAMPILLO CÁRDENAS

ING. MAURICIO GONZALEZ COMENARES

Tutor

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C.- 2016

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CONTENIDO

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................... 7

2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................. 8

3. JUSTIFICACION...................................................................................................................... 11

4. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................ 12

5. OBJETIVOS ESPECIFICOS .................................................................................................... 12

6. METODOLOGÍA ..................................................................................................................... 13

6.1. Requerimientos Iniciales de diseño ........................................................................................ 13

6.2. Definición de la ruta y el proceso productivo del concreto .................................................... 14

6.3. Diseño de componentes del equipo ........................................................................................ 16

6.1.1. Zona de Agregados .................................................................................................. 17

6.1.2. Zona de Banda de Patio .......................................................................................... 43

6.1.3. Zona de refrigeración .............................................................................................. 48

6.1.4. Zona de mezcla ........................................................................................................ 53

6.4. Documentación ..................................................................................................................... 70

6.5. Montaje de la planta .............................................................................................................. 71

7. CONCLUSIONES .................................................................................................................... 72

8. BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................... 73

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Proporciones para 1m3 de concreto.(ConstruyaFácil, s.f.) ................................... 17

Tabla 2: Datos iniciales para cálculo de presiones en báscula de agregados .................... 21

Tabla 3: Factores para el cálculo de presiones en básculas ............................................... 21

Tabla 4: Parámetros para simulación de báscula ............................................................... 23

Tabla 5: Datos iniciales para cálculo de presiones en sección inclinada de báscula ......... 26

Tabla 6: Presiones en sección inclinada de báscula ............................................................ 26

Tabla 7: Presiones normales en paredes inclinadas ........................................................... 27

Tabla 8: Características generales báscula de agregados .................................................. 30

Tabla 9: Presiones sección vertical almacén de agregados ................................................ 31

Tabla 10: Presiones sección inclinada almacén de agregados ........................................... 31

Tabla 11: Características generales almacén de agregados ............................................... 33

Tabla 12: Parámetros iniciales banda horizontal ................................................................ 34

Tabla 13: Anchos de banda mínimos recomendados(Sanz, Pablo, 2011) ........................... 35

Tabla 14: Velocidades normalizadas de bandas(Sanz, Pablo, 2011) .................................. 36

Tabla 15: Diámetros normalizados de tambores.(Jansen and Heuning, [s.f].) ................... 36

Tabla 16: Resultados cálculo de banda horizontal .............................................................. 38

Tabla 17: Características generales banda horizontal ........................................................ 39

Tabla 18: Parámetros iniciales banda inclinada ................................................................. 45

Tabla 19: Resultados cálculo banda inclinada .................................................................... 46

Tabla 20: Características generales de banda de patio ...................................................... 47

Tabla 21: Características Generales Báscula de hielo ........................................................ 50

Tabla 22: Parámetros iniciales banda de hielo ................................................................... 51

Tabla 23: Ángulos de sobrecarga.(CEMA, 2002) ................................................................ 51

Tabla 24: Resultados máxima capacidad banda de hielo(“Superior Industries,” [s.f.]) .... 52

Tabla 25: Características generales Banda de hielo ........................................................... 53

Tabla 26: Datos iniciales para cálculo de báscula de cemento ........................................... 57

Tabla 27: Presiones en sección vertical de báscula de cemento ......................................... 57

Tabla 28: Presiones en sección inclinada de báscula .......................................................... 57

Tabla 29: Características generales de báscula de cemento ............................................... 60

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Tabla 30: Características generales báscula de agua ......................................................... 62

Tabla 31: Pesos totales en nivel 2 ........................................................................................ 64

Tabla 32: Pesos Totales en nivel 1 ....................................................................................... 66

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LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1: Planta AD 60 STD. (“AD-60,” s.f., p. 60) .................................................................... 9

Ilustración 2: Planta AD 60S 3A. (“AD-60-S-3A,” s.f.) ..................................................................... 9

Ilustración 3: Planta AM 60S 3A ...................................................................................................... 10

Ilustración 4: Proceso productivo AM 60S 4A ................................................................................. 15

Ilustración 5: Zona de Mezcla .......................................................................................................... 16

Ilustración 6: Modelo preliminar báscula de agregados .................................................................. 19

Ilustración 7: Presiones de llenado en paredes verticales ................................................................ 20

Ilustración 8: Deformación máxima en paredes verticales de báscula de agregados ...................... 23

Ilustración 9: Esfuerzo máximo en paredes verticales de báscula de agregados ............................. 24

Ilustración 10: Presiones en las paredes inclinadas de una tolva .................................................... 26

Ilustración 11: Deformación máxima en paredes inclinadas báscula de agregados ....................... 28

Ilustración 12: Esfuerzo máximo en paredes inclinadas de la báscula ............................................ 28

Ilustración 13: Báscula de Agregados. (Dimensiones en mm). ........................................................ 29

Ilustración 14: Deformación máxima en almacén de agregados ..................................................... 31

Ilustración 15: Esfuerzo máximo en almacén de agregados............................................................. 32

Ilustración 16: Almacén de Agregados. (Dimensiones en mm.) ....................................................... 33

Ilustración 17: Montaje de banda en tambor motriz y estación de carga ........................................ 37

Ilustración 18: Modelo CAD banda horizontal. (Dimensiones en mm) ............................................ 39

Ilustración 19: Montaje zona de agregados. (Dimensiones en mm) ................................................. 40

Ilustración 20: Módulos zona de agregados ..................................................................................... 40

Ilustración 21: Deformación máxima estructura para almacén ....................................................... 41

Ilustración 22: Esfuerzo máximo en estructura para almacén ......................................................... 41

Ilustración 23: Esfuerzo máximo en chasis principal ....................................................................... 42

Ilustración 24: Deformación máxima en chasis principal ................................................................ 43

Ilustración 25: Banda de patio a 20° y soportes. .............................................................................. 44

Ilustración 26: Montaje banda de patio ............................................................................................ 44

Ilustración 27: Distribución soportes de banda................................................................................ 45

Ilustración 28: Deformación máxima en soporte para banda de patio ............................................ 47

Ilustración 29: Esfuerzo máximo en soporte de banda de patio ....................................................... 48

Ilustración 30: Banda y báscula para hielo ...................................................................................... 49

Ilustración 31: Báscula de Hielo ...................................................................................................... 49

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Ilustración 32: Banda de hielo a 20°. (Dimensiones en mm) ........................................................... 50

Ilustración 33: Zona de mezcla. Nivel 1 ........................................................................................... 53

Ilustración 34: Vista frontal nivel 1. (Dimensiones en mm) ............................................................. 54

Ilustración 35: Vista lateral nivel 1 con pasarelas de inspección. (Dimensiones en mm)................ 54

Ilustración 36: Zona de mezcla nivel 2. ............................................................................................ 55

Ilustración 37: Modelo preliminar báscula de cemento ................................................................... 56

Ilustración 38: Deformación máxima en báscula de cemento .......................................................... 58

Ilustración 39: Máximo esfuerzo en báscula de cemento ................................................................. 58

Ilustración 40: Báscula de Cemento ................................................................................................. 59

Ilustración 41: Báscula de agua. (Dimensiones en mm) ................................................................... 61

Ilustración 42: Zona de mezcla. Nivel 3 ........................................................................................... 62

Ilustración 43: Deformación máxima en estructura nivel 3 ............................................................. 63

Ilustración 44: Esfuerzo máximo en estructura nivel 3 .................................................................... 63

Ilustración 45: Fuerzas sobre la estructura del nivel 2 .................................................................... 65

Ilustración 46: Esfuerzos máximos en nivel 2 ................................................................................... 65

Ilustración 47: Deformación máxima en nivel 2 ............................................................................... 66

Ilustración 48: Esfuerzo máximo en estructura de nivel 1 ................................................................ 67

Ilustración 49: Deformación máxima estructura de nivel 1 ............................................................. 67

Ilustración 50: Montaje planta AM 60S 4A ...................................................................................... 68

Ilustración 51: Vista frontal planta AM 60S 4A. (Dimensiones en mm) ........................................... 69

Ilustración 52: Vista superior ........................................................................................................... 69

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La empresa Altron Ingeniería, es una compañía que se especializa en la fabricación

de plantas dosificadoras y premezcladoras de concreto para la industria nacional e

internacional.

En el contexto del desarrollo de la infraestructura vial del país, esta vez se enfrenta

al reto de fabricar una planta que tiene como objetivo generar concreto premezclado

para la construcción de un viaducto de 5 Km para conectar las ciudades de Cartagena

y Barranquilla.

Dicha planta debe producir 60m3/h de concreto de alto desempeño con una resistencia

de 12000 Psi, y debe garantizarse la calidad del mismo, ya que la composición de la

mezcla puede resultar afectada por las condiciones ambientales a las que está

expuesto.

Para lograr una producción a ese nivel, se deben considerar aspectos tales como el

almacenamiento y el pesaje efectivo de los agregados, la cantidad exacta de cemento

y aditivos que deben agregarse a la mezcla, y además, por tratarse de un clima cálido,

se debe contar con un sistema de refrigeración, para evitar que el concreto se

deshidrate antes de tiempo y la resistencia del concreto disminuya debido a esto.

Adicionalmente, en la empresa no se cuenta con un procedimiento para el montaje de

los equipos, así que es de vital importancia desarrollar una herramienta que indique

la manera adecuada de instalación, en este caso de la planta a diseñar, para que en

obra los tiempos de ensamble sean efectivos, y se reduzcan al máximo los reprocesos

, los costos inesperados y el mal manejo de las herramientas empleadas en dicha labor.

En síntesis, el objeto principal del desarrollo de este proyecto es diseñar una máquina

que entregue eficientemente la producción requerida por el cliente, garantizando la

calidad del producto que ofrece, y que además su puesta en funcionamiento se haga

de manera correcta, segura y eficiente.

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2. ESTADO DEL ARTE

Altron Ingeniería y Montajes Ltda. es una compañía colombiana, dedicada a la

fabricación de plantas para producción de concreto, diseño de sistemas eléctricos para

control de equipos, automatización de procesos y montajes industriales entre otros

(“Plantas Dosificadoras de Concreto,” s.f.).

La compañía cuenta con más de 12 años de experiencia en el mercado nacional e

internacional atendiendo las necesidades de sus clientes, logrando así, posicionarse

como una de las mejores empresas del país en el ámbito de la fabricación de plantas

para la dosificación y mezclado de concreto.

Dentro de su amplio catálogo de productos encontramos varios tipos de plantas

mezcladoras cuya producción de concreto va desde los 25m3/h hasta los 120 m3/h. En

esta gama, existen equipos que pueden abastecer la producción de 60m3/h, sin

embargo, no están diseñados para producir concreto de alto desempeño, ya que por

lo general estas máquinas generan concretos de 3000 psi. Entre ellos se encuentran la

AD 60 STD, AD 60 3A y la AM 60 3A(“Plantas Dosificadoras de Concreto,” s.f.).

La planta AD 60 STD (ilustración 1), es un equipo que dosifica las cantidades exactas

de concreto, y entrega los componentes bien sea a una mixer, un contenedor u otro

sistema de recolección. Esta planta no realiza una mezcla previa, por lo que la materia

entregada debe ser mezclada posteriormente.

Para el proyecto a desarrollar la máquina no resulta efectiva, debido a que solo cuenta

con dos agregados y no posee un sistema que adicione aditivos, ni la sílice necesaria

para que el concreto adquiera las propiedades que se necesitan en la construcción del

viaducto. Además no cuenta con un sistema de refrigeración, el cual es indispensable

para la calidad del producto.

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Ilustración 1: Planta AD 60 STD. (“AD-60,” s.f., p. 60)

Además de este equipo, la compañía también cuenta con la planta AD 60S 3A. Al

igual que la AD 60 STD, también garantiza una producción de 60m3/h, pero esta

cuenta con 3 agregados lo que le da características distintas al concreto que realiza.

Adicionalmente posee un almacén de agregados que hace que los tiempos de cargue

se disminuyan y el proceso sea más efectivo (“AD-60-S-3A,” s.f.).

Ilustración 2: Planta AD 60S 3A. (“AD-60-S-3A,” s.f.)

Aunque este equipo tenga ciertas ventajas respecto del anterior, tampoco es el

adecuado ya que al igual que la 60 STD, no entrega el concreto premezclado ni con

las propiedades que se requieren.

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Finalmente, se tiene la planta AM 60S 3A, que es un equipo premezclador de

concreto. También cuenta con 3 agregados y un almacén, lo que hace más práctico el

proceso de producción.

Ilustración 3: Planta AM 60S 3A

Este equipo es el que más se aproxima a los requerimientos del proyecto, pero

desafortunadamente la máquina AM 60S 3A, no está diseñada para trabajar en las

condiciones ambientales especificadas; por ello carece de sistema de dosificación de

aditivos, de sílice, y del sistema de refrigeración.

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3. JUSTIFICACION

Para la construcción de un viaducto entre las ciudades de Cartagena y Barranquilla,

se necesita una producción continua de concreto el cual debe ser de alto desempeño

y cuya composición podría verse afectada debido a las condiciones climáticas de la

zona.

Con el fin de cumplir con dicha solicitud de concreto, se ha propuesto el diseño de

una planta de producción con una capacidad adecuada para el suministro continuo de

materia prima para la construcción del viaducto.

En el ámbito de la empresa, dentro de su diverso catálogo de productos no se

encuentra una planta que cumpla con los requerimientos solicitados, lo que supone

un nuevo reto en materia de diseño e innovación. Esto proyectará a la compañía hacia

nuevos nichos de la industria y de esa manera su participación en el mercado será más

amplia.

Además de esto, la realización de este proyecto no sólo supondrá el beneficio para la

compañía, sino también contribuirá al progreso del país a nivel de infraestructura vial,

en un momento en el que se está invirtiendo en el desarrollo de vías 4G. La

construcción de carreteras de 4 generación impactará directamente en la

competitividad, el transporte de personas y bienes, e incluso, el acceso a regiones

alejadas (“Vías 4G (Colombia),” s.f.).

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4. OBJETIVO GENERAL

Diseñar la planta AM 60S 4A y elaborar una propuesta para su respectivo montaje

en obra.

5. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Definir y establecer la ruta de producción del concreto requerido

Diseñar los componentes necesarios para alcanzar una producción de concreto

de 60m3/h

Realizar el modelo CAD para posteriormente generar planos de fabricación

Elaborar un plan de montaje en obra del equipo

Realizar el manual de instalación de la máquina

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6. METODOLOGÍA

6.1. Requerimientos Iniciales de diseño

La planta AM 60S 4A debe garantizar una tasa de producción de 60m3/h, además de

esto se deben considerar los siguientes aspectos.

Transporte: La planta será transportada en planchones, por las carreteras del

territorio nacional; por ende, debe respetar las dimensiones máximas

permitidas para transporte de carga en carretera. Según la resolución 4100 del

26 de diciembre del 2004(CESVI COLOMBIA, 2007), dichas dimensiones

son:

- Ancho máximo: 2,6 m

- Altura máxima: 4,4 m

- Longitud máxima : 18 m

En caso de que la carga o el vehículo excedan estas dimensiones, se considera

como carga extradimensionada y requiere de permisos y/o acompañamiento

de la autoridad.

Mezclado del concreto: El concreto será mezclado en la premezcladora MAO

3000-2000, la cual tiene una capacidad volumétrica de 2000 Litros

(SICOMA, n.d.).

Sistema de refrigeración: Debido a las condiciones climáticas y el volumen

de concreto que se producirá, es necesario acoplar un sistema de refrigeración

en la planta, el cual será suministrado por el cliente. Dicho sistema aporta

hielo en escamas (escarcha), a la mezcla para evitar que el concreto pierda su

manejabilidad.

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Almacenamiento de agregados: Se requiere un almacén de agregados con

capacidad para albergar 2 tipos de agregado fino y 2 tipos de agregado grueso.

Sistema de Pesaje: Para la correcta dosificación de agregados, cemento,

sílice, agua y hielo, se hace necesario contar con básculas para controlar las

cantidades de dichos elementos.

Sistema de transporte de agregados: Se compone de bandas transportadoras

con capacidad suficiente para entregar las cantidades necesarias para la

mezcla.

Descargue de la mezcla: La mezcla será entregada a camiones mezcladores,

por lo tanto la altura mínima de descargue de esta debe ser de 4 m.

Almacenamiento de sílice: Se debe acoplar un silo con capacidad para

almacenar 15m3 de sílice (suministrado por el cliente), para reducir la

cantidad de cemento en la mezcla y darle otras propiedades , según fórmula

del productor

Basculas de aditivos: La planta debe contar con 2 básculas con capacidad para

20L cada una, para la dosificación de aditivos (suministradas por el clientei).

6.2. Definición de la ruta y el proceso productivo del concreto

Para realizar la mezcla de concreto, la planta AM 60S 4A (ilustración 4), sigue ésta

línea productiva:

i Los elementos suministrados por el cliente son diseños aportados por el productor del concreto, de

acuerdo a la fórmula diseñada por el mismo. Estas fórmulas se basan en pruebas que se han hecho en

campo y con componentes que dan al concreto la resistencia para la aplicación deseada.

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1. Se cargan los almacenes (1) con los tipos de agregados, en este caso grava y

arena.

2. Se realiza la descarga de los agregados a las básculas (2) , en donde se pesarán

3. Una vez obtenidas las cantidades de agregados, se abren las compuertas de las

básculas y dichos agregados serán transportados mediantes las bandas

transportadoras (3 y 4).

4. En la banda transportadora (5) se coloca el hielo (escarcha), para que éste sea

pesado en la báscula respectiva y dosifique la cantidad necesaria para

refrigerar la mezcla. El hielo es transportado junto con los agregados mediante

la banda transportadora (4).

Ilustración 4: Proceso productivo AM 60S 4A

5. En la zona de mezcla (Ilustración 5), se hace la apertura de la válvula del silo

de sílice (6) para que dicho material, sea transportado mediante un tornillo

sinfín a una báscula (8), y entregue al mezclador la cantidad necesaria.

6. Desde los silos de cemento (7), se abastece la báscula de cemento (9), en la

cual se pesara la cantidad necesaria de cemento, para entregar a la mezcla

7. Los agregados transportados por la banda (4), la sílice (8), el cemento (9) , el

agua previamente pesada en la báscula respectiva (10), y los aditivos (12) ,se

1

2

3

4

6

7

13

5

16

vierten en el mezclador (13), en donde se mezclarán hasta formar el concreto

deseado.

Ilustración 5: Zona de Mezcla

6.3. Diseño de componentes del equipo

Una vez se ha definido la línea de producción del concreto se detallan cada uno de

los componentes que conforman la planta.

En un primer grado, la planta se divide en zonas, las cuales a su vez están compuestas

por varios equipos. Dichas zonas son:

a) Zona de agregados

b) Zona de banda de patio

c) Zona de refrigeración

d) Zona de mezcla

8

9

10

12

13

17

6.1.1. Zona de Agregados

La zona de agregados se compone por los almacenes de agregados, las bascula de

agregados, una banda horizontal y la estructura que soportará cada uno de los equipos

mencionados.

6.1.1.1. Báscula de Agregados

Capacidad de la báscula

En la planta AM 60S 4A, se utilizan 4 tipos de agregados: arena fina, arena gruesa,

grava fina y grava gruesa. Por lo tanto se requieren 4 básculas que pesen las

cantidades de agregados necesarias para la mezcla de concreto. Dicha cantidad está

determinada por las proporciones establecidas para fabricar un concreto estándar

(3000-3500 psi)

Tabla 1: Proporciones para 1m3 de concreto.(ConstruyaFácil, s.f.)

Teniendo en cuenta que se van a hacer entregas de 2m3, de acuerdo a la capacidad del

mezclador, el volumen mínimo que debe tener cada báscula es de 1,34m3. Sin

embargo, hay que contemplar otros factores, como el ángulo de rozamiento interno

de la arena y de la grava.

Se denomina ángulo de reposo al ángulo máximo con que un montículo de suelo se

mantiene estable sin que se produzca una falla por deslizamiento (Rodas & Rousé,

2010). Este ángulo juega un papel muy importante en la definición de la báscula, ya

que si en la tolva se generan ángulos menores al ángulo de deslizamiento del material,

éste no se deslizará y, por lo tanto, se acumulará en el equipo, haciendo que la medida

del peso sea incorrecta. Además de esto, el ángulo de cada montículo implica que la

tolva no se llenará uniformemente, por lo cual hay que agregar un porcentaje a la

Cantidades por m3 de concreto (concreto armado o reforzado)

Proporción Cemento (Kg) Arena (m3) Grava (m3) Agua (L)

1:2:2 420 0,67 0,67 250

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capacidad de la báscula, puesto que el volumen previamente calculado (1,34m3), debe

ser efectivo.

Para la grava se maneja un ángulo de rozamiento interno entre 30°-44° y para la arena

un ángulo entre 20°-45°(CEMA, 2002), dependiendo de los tipos que existen. Para

efectos de diseño, se utiliza el ángulo máximo entre los dos agregados, es decir 45°.

Adicionalmente, para cumplir con el tiempo de producción, se deben reducir tiempos

en el cargue de agregados. Por lo tanto la báscula se diseña para una capacidad de dos

bachesii de 2m3. Es decir que, finalmente, el volumen de la báscula se define por la

siguiente expresión:

𝑉𝑏 = (𝐶𝑚í𝑛 𝑥 2) + 25%

Donde 𝑉𝑏 es el volumen de la báscula en m3, 𝐶𝑚í𝑛 es la capacidad mínima de la

báscula por bache en m3, y se adiciona un 25% debido al comportamiento del

material.

Por lo tanto el volumen final de la báscula es:

𝑉𝑏 = (1,34𝑚3 𝑥 2) + 25%

𝑉𝑏 = 3, 35 𝑚3

A partir de las condiciones anteriormente descritas se llega al siguiente modelo

preliminar:

ii Se denomina bache a cada entrega de la planta. En este caso cada bache es de 2m3 de concreto.

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Ilustración 6: Modelo preliminar báscula de agregados

Cargas en la báscula

Las presiones que se generan a partir del material en las caras de la tolva se calcularon

según lo especificado en la norma UNE-ENV 1991-4, que corresponde al apartado 4,

(silos y tanques), del Eurocódigo 1 (EUROPEAN COMMITTE FOR

STANDARDIZATION, 2006).

En dicha norma se clasifican las cargas que actúan sobre el elemento en cargas sobre

las paredes verticales, y cargas sobre las paredes inclinadas.

Cargas en las paredes verticales

En primer lugar se calculan las presiones de llenado que actuarán sobre las paredes

verticales de la báscula. Se consideran tres tipos de presiones de llenado: La presión

horizontal (Phf), presión por fricción (Pwf) y la presión vertical (Pvf) (Ver ilustración

7); las cuales se calculan según el método indicado en el apartado 5.2.2.1 del

Eurocódigo 1.

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Ilustración 7: Presiones de llenado en paredes verticales

La presión horizontal sobre las paredes se calcula mediante la expresión 5.1, de la

norma:

𝑝ℎ𝑓(𝑧) = 𝑝ℎ𝑜𝑌𝐽(𝑧)

En la cual:

𝑝ℎ𝑜 = 𝐾 𝑧𝑜

𝑧𝑜 = 1

𝐾 𝜇 𝐴

𝑈

𝑌𝐽(𝑧) = 1 − 𝑒−𝑍/𝑍𝑂

Donde:

es el peso específico del material a almacenar, en este caso la arena

𝜇 es el coeficiente de rozamiento entre el material y la pared de la tolva

𝐾 es un valor característico de la relación de presión lateral

𝑧 es la distancia bajo la superficie equivalente del solido

21

𝐴 es el área de la sección transversal de la tolva

𝑈 es el perímetro interno de la sección transversal de la tolva.

Teniendo en cuenta las especificaciones anteriormente mencionadas, la presión

horizontal finalmente es:

La presión será evaluada en z= 0,41m, que es la zona de transición entre la pared

vertical y la pared inclinada de la tolva, ya que allí se dará el mayor valor. Por lo tanto

la presión horizontal es:

𝑝ℎ𝑓(𝑧) = 27,16𝐾𝑁

𝑚2∗ 0,11

DATOS INICIALES

Propiedad Valor Referencia

Material Arena N/A

16 KN/m3 (Anexo 1, pg. 99)

𝜇 0,44 (Anexo 1, pg. 99)

K 0,49 (Anexo 1, pg. 99)

A 4,35m2 N/A

U 8,38m N/A

z 0,41m N/A

Tabla 2: Datos iniciales para cálculo de presiones en báscula de agregados

FACTORES

𝑝ℎ𝑜 27,16 KN/m2

𝑧𝑜 3,40 m

𝑌𝐽(𝑧) 0,11

Tabla 3: Factores para el cálculo de presiones en básculas

22

𝑝ℎ𝑓(𝑧) = 3,09 𝐾𝑁/𝑚2

La presión debido a la fricción se calcula siguiendo la expresión 5.2 del Eurocódigo

1:

𝑝𝑤𝑓(𝑧) = 𝜇 𝑝ℎ𝑜𝑌𝐽(𝑧)

De acuerdo a esto, la presión por fricción es igual a:

𝑝𝑤𝑓(𝑧) = 1,36 𝐾𝑁/𝑚2

Para determinar el valor de la presión vertical ejercida por el material, se utiliza la

expresión 5.3 de la norma

𝑝𝑣𝑓(𝑧) = 𝑝ℎ𝑜

𝐾𝑌𝐽(𝑧)

Así, el valor de la presión vertical es:

𝑝𝑣𝑓(𝑧) = 6,18 𝐾𝑁/𝑚2

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Simulación de Presiones en paredes verticales

Después de determinar las presiones que se generarán en las paredes de la sección

vertical de la báscula, se procede a realizar un análisis estructural teniendo en cuenta

los siguientes parámetros:

PARÁMETRO VALOR

Material Acero A36

Manufactura Lamina HR

Espesor 3/16”

Tabla 4: Parámetros para simulación de báscula

Al determinar tales parámetros se realiza la simulación en el programa ANSYS 16.0.

Dicho análisis arroja los siguientes resultados:

Ilustración 8: Deformación máxima en paredes verticales de báscula de agregados

24

Ilustración 9: Esfuerzo máximo en paredes verticales de báscula de agregados

De acuerdo a los análisis realizados, se obtiene que la deformación máxima es de 1,26

mm y se presenta en la parte superior de la lámina (Ilustración 8). También se observa

que el esfuerzo máximo es de 26,18 MPa y se presenta en los apoyos de la báscula

(Ilustración 9). Estos valores son admisibles, ya que el límite de fluencia para el acero

A36 es de 250MPa, por lo tanto tenemos un factor de seguridad de 9,5.

Cargas en las paredes inclinadas

Para calcular las presiones que se generan en la zona de las láminas inclinadas, se

utilizan las expresiones del anexo G, del Eurocódigo 1.

Inicialmente se calcula la presión normal (Pn), utilizando la ecuación G.4 de la norma,

la cual es:

𝑃𝑛 = 𝑃𝑛3 + 𝑃𝑛2 + (𝑃𝑛1 − 𝑃𝑛2)𝑥

𝑙ℎ

25

En la cual

𝑃𝑛1 = 𝑃𝑣𝑓(𝐶𝑏𝑠𝑖𝑛2𝛽 + 𝑐𝑜𝑠2𝛽)

𝑃𝑛2 = 𝑃𝑣𝑓𝐶𝑏𝑠𝑖𝑛2𝛽

𝑃𝑛3 = 3,0 𝐴

𝑈

𝛾𝐾

√𝜇ℎ

y en donde :

𝛽 es el ángulo de inclinación con la vertical

𝑥 es una longitud entre 0 y 𝑙ℎ( ver ilustración 10)

𝑃𝑛1 y 𝑃𝑛2 definen las presiones debido a la presión vertical del material almacenado

en la zona de transición

𝑃𝑛3 es la presión en la tolva debido al sólido almacenado en la zona de paredes

inclinadas

𝐶𝑏 es el coeficiente de mayoración en el fondo de la tolva

𝑃𝑣𝑓 es la presión vertical ejercida por el sólido almacenado

𝜇ℎ es el coeficiente de rozamiento entre el material y la pared de la tolva. (Coeficiente

mínimo)

26

Ilustración 10: Presiones en las paredes inclinadas de una tolva

Teniendo en cuenta lo anterior, la presión normal a las paredes inclinadas de la tolva

es:

iii Para tolvas Clase 1 (Tolvas con capacidad menor a 100 ton), el coeficiente de mayoración en el

fondo es igual a 1,3. (EUROPEAN COMMITTE FOR STANDARDIZATION, Pg. 68, 2006)

DATOS INICIALES


Material Arena N/A

𝑃𝑣𝑓 6,18 KN/m2 N/A

𝜇ℎ 0,33 (Ver Anexo 1, pg 99)

K 0,40 (Ver Anexo1, pg 99)

𝐶𝑏iii 1,3 N/A

𝛽 41° N/A

Tabla 5: Datos iniciales para cálculo de presiones en sección inclinada de báscula

PRESIONES

𝑝𝑛1 7,06 KN/m2

𝑝𝑛2 3,49 KN/m2

𝑝𝑛3 17,97 KN/m2

Tabla 6: Presiones en sección inclinada de báscula

27

Para el cálculo de la presión normal, se toman dos distancias 𝑥 = 𝑙ℎ con la cual se

determina la presión de transición, y 𝑥 = 0, para determinar la presión en el vértice

de la tolva. De acuerdo a esto las presiones obtenidas son:

Presiones normales a las paredes inclinadas

𝑃𝑛 [KN/m2 ] 𝑥

25,03 𝑥 = 𝑙ℎ

21,47 𝑥 = 0

Tabla 7: Presiones normales en paredes inclinadas

Adicionalmente, se debe calcular la presión de fricción mediante la expresión G.8 del

Eurocódigo 1, la cual es:

𝑃𝑡 = 𝑃𝑛𝜇ℎ

En este caso, se toma el valor 𝑃𝑛 máximo obtenido (𝑥 = 𝑙ℎ), para obtener la presión

máxima de fricción, cuyo valor es:

𝑃𝑡 = 25,03KN

𝑚2 ∗ 0,33 = 2,31KN

𝑚2

Simulación de Presiones en paredes inclinadas

Teniendo en cuenta las presiones calculadas en la sección inclinada de la báscula, se

procede a realizar un análisis estructural con los mismos parámetros iniciales,

utilizados para el análisis en las paredes verticales.

Dicha simulación muestra los siguientes resultados:

28

Ilustración 11: Deformación máxima en paredes inclinadas báscula de agregados

Ilustración 12: Esfuerzo máximo en paredes inclinadas de la báscula

De acuerdo a los análisis realizados, se obtiene que la deformación máxima es de 2,85

mm y se presenta en el centro de la lámina (Ilustración 11). También se observa que

el esfuerzo máximo es de 188,69 MPa y se presenta en los apoyos de la báscula

(Ilustración 12).

29

Modelo Final

A partir de los análisis realizados y de los requerimientos iniciales se llega al siguiente

modelo:

Ilustración 13: Báscula de Agregados. (Dimensiones en mm).

Las láminas se reforzaron externa e internamente en los lugares donde se presentaban

los mayores esfuerzos.

Además se determinó que el sistema de pesaje sería mediante celdas de carga tipo S,

y la dosificación se controlaría mediante un sistema neumático de compuertas.

Las características generales de la báscula se resumen en la siguiente tabla:

30

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Capacidad Volumétrica 3,4 m3

Material Acero ASTM 36

Manufactura Lámina HR 3/16”

Peso (Sin material) 684 Kg

Sistema de Pesaje Celdas tipo S

Dosificación Compuertas Neumáticas- Sistema automático

Tabla 8: Características generales báscula de agregados

6.1.1.2. Almacén de Agregados

Con el ánimo de reducir tiempos de cargue y, por ende, de producción, la planta viene

equipada con un almacén de agregados de 27 m3. Esto se debe a que éste tiene que

abastecer el volumen total de cada báscula (3,35m3), y además debe tener material de

reserva para otro cargue.

Por lo tanto

(3,35𝑚3 𝑥 2) = 6,7 𝑚3

Y ya que son 4 agregados el volumen total sería

(6,7𝑚3 𝑥 4) = 26, 8𝑚3 ≈ 27𝑚3

El almacén cuenta con 4 compartimentos que corresponden a los 4 tipos de agregados

que se usarán. El descargue de éstos a las básculas se hará por gravedad, y la

dosificación será controlada por medio de compuertas neumáticas automáticas.

Hay que tener en cuenta que los almacenes se abastecerán con un cargador cuyo

cucharón tiene de ancho 2,5 m.

Cargas en el almacén de agregados

El análisis de presiones sobre el almacén de agregados se hace utilizando el mismo

método, normatividad y propiedades de material, empleados en el estudio de la

báscula. A partir de esto, se obtuvieron las siguientes presiones:

31

Presiones sección vertical

𝑝ℎ𝑓 3,14 KN/m2

𝑝𝑤𝑓 1,38 KN/m2

𝑝𝑣𝑓 6,28 KN/m2

Tabla 9: Presiones sección vertical almacén de agregados

Presiones sección inclinada

𝑝𝑛1 7,09 KN/m2

𝑝𝑛2 3,51 KN/m2

𝑝𝑛3 19,61 KN/m2

𝑝𝑛 26,70 KN/m2

𝑝𝑡 2,31 KN/m2

Tabla 10: Presiones sección inclinada almacén de agregados

Con los resultados calculados, se realiza un análisis de estructural. Para esto se toma

una parte del almacén, ya que al analizar una de las tolvas, el resultado se puede

aplicar a los 3 restantes.

Los parámetros iniciales para realizar la simulación, son los mismos utilizados para

la báscula de agregados.

Ilustración 14: Deformación máxima en almacén de agregados

32

Ilustración 15: Esfuerzo máximo en almacén de agregados

En los análisis, se observa que se presenta una deformación máxima de 0,76mm

(Ilustración 14), la cual se presenta en la parte superior de la lámina vertical.

Adicionalmente se tiene que el esfuerzo máximo es de 32,46 MPa (Ilustración 15).

De acuerdo a esto, la deformación y el esfuerzo son admisibles, ya que se obtiene un

factor de seguridad de 7,7.

Modelo Final

A partir de los análisis realizados y de los requerimientos iniciales se llega al siguiente

modelo:

33

Ilustración 16: Almacén de Agregados. (Dimensiones en mm.)

Al igual que en la báscula de agregados, la dosificación de los agregados se realiza

mediante un sistema de compuertas neumáticas. También se colocaron refuerzos

externos e internos para reducir los esfuerzos del material sobre las láminas.

Las características generales del almacén se resumen en la siguiente tabla:

Características Generales

Capacidad Volumétrica 27 m3


Material Acero ASTM A-36


Dosificación Compuertas Neumáticas- Sistema automático

Tabla 11: Características generales almacén de agregados

34

6.1.1.3. Banda Horizontal

El diseño de la banda horizontal está determinado por el tipo de material a transportar,

la capacidad a transportar y el montaje en general. También se tienen en cuenta

diseños anteriores de modelos de bandas de plantas que también tienen una

producción de 60m3/h.

El cálculo de la banda se realiza mediante el software de la compañía neerlandesa

Jansen and Heuning, la cual es especializada en la construcción de sistemas para

manejo de cargas a granel. Dicho software usa un método de cálculo basado en las

normas DIN-22101 and ISO-5048 (Jansen and Heuning, [s.f] ). Sin embargo, deben

fijarse los parámetros iniciales de diseño, definidos en la tabla a continuación:

PROPIEDAD VALOR

Densidad del Material [Kg/m3] 1764

Angulo de inclinación [°] 0

Longitud de Transporte[m] 12

Altura de inclinación [m] 0

Capacidad deseada [ton/h] 150

Ancho de banda [mm] 762

Velocidad de Banda [m/s] 2,62

Tipo de rodillos de carga Terna

Angulo de rodillos 35°

Diámetro de tambor motriz[mm] 273

Diámetro de tambor de retorno [mm] 273

Tabla 12: Parámetros iniciales banda horizontal

Capacidad deseada: Partiendo de que se deben entregar 60m3/h, se calcula la

capacidad ideal de la banda a partir de las tablas que se encuentran en la norma. Como

la producción debe ser de 60m3/h, y tomando en cuenta la proporción de agregados

(Tabla 1), el volumen de agregados que se debe transportar por hora es de 80,4m3.

Es decir, tomando como densidad de la arena 110 lb/ft3 (1764 Kg/m3)(CEMA,

2002), el flujo de material por hora es de 141,82 ton/h.

Ancho de Banda: Una vez se tiene clara la capacidad de material a transportar, se

procede a determinar el ancho de la banda.

35

El ancho de banda se encuentra en función al tamaño de grano a transportar. La

siguiente tabla indica los valores mínimos sugeridos de ancho de banda normalizados

s/DIN 22101 en función del tamaño de grano máximo del material.

Tabla 13: Anchos de banda mínimos recomendados(Sanz, Pablo, 2011)

Para este caso, el tamaño de grano varia de 1” a 3” (25mm a 76mm) de diámetro. Por

lo tanto para este cálculo se escoge un ancho de banda de 30” o 762mm . A pesar de

que el ancho no es normalizado, la compañía ha venido trabajando con anchos de 24”,

30” y 36”, debido a que a nivel comercial, se encuentran estas medidas.

Velocidad de banda: La velocidad de la banda transportadora está condicionada por

las características físicas del material. De esta forma, la velocidad se ve afectada por

la degradación de materiales friables, perdidas de material muy liviano o pulverizado,

impacto de los terrones en los rodillos de carga, etc. (Sanz, Pablo, 2011)

En la norma DIN 22101, se encuentran los valores normalizados de máxima

velocidad de la banda y las velocidades recomendadas en función del tamaño de grano

y el ancho de banda.

36

Tabla 14: Velocidades normalizadas de bandas(Sanz, Pablo, 2011)

Según lo indicado en la tabla, y la selección del ancho que se hizo previamente, la

velocidad de la banda será de 2,62 m/s.

Tipo de rodillos: En bandas con un ancho menor o igual a 650mm, normalmente se

utiliza un set de 2 rodillos de carga (tipo v). Para bandas mayores o iguales a 800mm

se utilizan estaciones de carga de 3 rodillos (tipo bote).

Diámetro de tambores: La norma DIN 22101, también proporciona tamaños de

tambores normalizados como se ve en la tabla a continuación

Diámetros normalizados de tambores

100 215 630 1400

125 250 800 1600

160 315 1000 1800

200 400 1250 2000

Tabla 15: Diámetros normalizados de tambores.(Jansen and Heuning, [s.f].)

37

Sin embargo, en la empresa se fabrican tambores de 8”, 10” y 12”, debido a que su

manufactura se hace mediante tubería que se encuentra a nivel comercial.

Además de esto, la determinación del diámetro de los tambores también se hace de

acuerdo al arreglo del montaje como se explica a continuación:

Ilustración 17: Montaje de banda en tambor motriz y estación de carga

Al colocar la banda sobre el rodillo medio de la estación de carga y el tambor motriz,

esta debe formar una línea recta al hacer contacto de manera tangencial con los dos

elementos, ya que esto reduce la tensión en la banda.

Una vez establecidos los parámetros iniciales, se ingresan los datos en el software y

se tienen los siguientes resultados:

38

Tabla 16: Resultados cálculo de banda horizontal

De acuerdo a los parámetros seleccionados al inicio, se tiene que la banda cumplirá

con la demanda de producción, ya que el análisis muestra que tiene una capacidad de

85,03 m3.

Para cumplir con esta cantidad se necesita un ancho de banda mínimo teórico de 420

mm, pero debido al tamaño de grano, se decide dejar un ancho de 762 mm.

Adicionalmente el programa calcula un tamaño mínimo de tambor motriz de 110mm,

velocidad angular de 140 rpm y una potencia de 1,72 KW. Sin embargo debido al

montaje, se opta por dejar un diámetro de tambor motriz de 273mm.

39

Después de realizar el análisis anterior, se empieza a diseñar la banda de acuerdo a

condiciones geométricas y de montaje. El modelo CAD de la banda es el siguiente:

Ilustración 18: Modelo CAD banda horizontal. (Dimensiones en mm)

Las características de la banda se resumen en la siguiente tabla

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Ancho de Banda 762mm

Rodillos transportadores Terna a 35°

Longitud de Transporte 12 m

Velocidad de banda 2,62 m/s

Capacidad 85 m3/h

Tabla 17: Características generales banda horizontal

40

6.1.1.4. Estructura de soporte

La estructura de soporte es modular, para que todos los elementos sean de fácil

montaje sobre ésta. Además de esto se deben tener en cuenta las restricciones de

transporte y otros factores del ensamble en general. El montaje de la zona de

agregados es el siguiente:

Ilustración 19: Montaje zona de agregados. (Dimensiones en mm)

Como se observa en la Ilustración 9, la altura del ensamble sobrepasa el límite de la

permitida en transporte (4,4 m), por ello éste se divide en 3 partes: Módulo de almacén

de agregados, módulo de pesaje y torres de elevación (Ilustración 11).

Ilustración 20: Módulos zona de agregados

Torres de elevación

Almacén de Agregados Módulo pesaje de Agregados

41

Estructura para Almacén de agregados

Para la estructura que soportará el almacén de agregados, se selecciona acero A-36 y

un perfil tubular cuadrado de (100x100x4) mm, basados en estructuras de almacenes

anteriores. A partir de dicha selección se realiza un análisis estructural, en donde se

toma el peso del almacén totalmente lleno. Lo anterior genera los siguientes

resultados

Ilustración 21: Deformación máxima estructura para almacén

Ilustración 22: Esfuerzo máximo en estructura para almacén

42

Según el análisis realizado, la deformación máxima es de 0,5 mm (Ilustración 21) y

el esfuerzo máximo es de 152, 57 MPa. Teniendo en cuenta que el límite de fluencia

del acero analizado es de 250 MPa, la estructura cuenta con un factor de seguridad de

1,64.

Chasis Principal

En el chasis principal se soportan el módulo del almacén de agregados, las básculas

de agregados y la banda horizontal.

Para realizar su análisis estructural, principalmente se selecciona un perfil IPE 200,

en acero A-36. También se considera el almacén y las básculas de agregados

cargados en su totalidad. A partir de esto se obtiene:

Ilustración 23: Esfuerzo máximo en chasis principal

43

Ilustración 24: Deformación máxima en chasis principal

De acuerdo a los resultados obtenidos, se observa que el esfuerzo máximo es de 246

MPa (Ilustración 23) y la deformación es de 0,47 mm (Ilustración 24). Ambas

características se encuentran en los flanches de acoplamiento superior. Por ello se

decide colocar platinas de refuerzo para disminuir los esfuerzos máximos en esta

zona.

6.1.2. Zona de Banda de Patio

La zona de banda de patio está compuesta por una banda transportadora a 20° y sus

respectivos soportes.

La banda de patio es el equipo que transporta los agregados hacia la zona de mezcla.

Para su diseño se tienen en cuenta los mismos aspectos que para la banda horizontal,

pues transportarán el mismo material. Sin embargo, ya que esta posee una inclinación

para desplazar los agregados hasta el mezclador, se debe tener en cuenta el ángulo

máximo recomendado en la norma CEMA para el diseño de bandas transportadoras.

44

Para la grava y la arena este ángulo no debe superar los 24° (CEMA, 2002). En este

caso la inclinación seleccionada es de 20° (Ilustración 25).

Ilustración 25: Banda de patio a 20° y soportes.

La longitud de la banda está dada por la altura a la que debe llegar para alimentar al

mezclador, teniendo en cuenta que éste debe descargar el material a mínimo 4m de

altura (Ilustración 26).

Ilustración 26: Montaje banda de patio

Esta banda posee una estructura más robusta que la banda horizontal, debido a que

se le deben ajustar pasarelas y pasamanos de inspección.

45

Ilustración 27: Distribución soportes de banda

Al igual que para la banda horizontal se realiza el análisis mediante el software, con

los siguientes parámetros iniciales

Propiedad Valor

Densidad del Material [Kg/m3] 1764

Angulo de inclinación [°] 20°

Longitud de Transporte[m] 17,5

Altura de inclinación [m] 6,5

Capacidad deseada [ton/h] 150

Ancho de banda [mm] 762

Velocidad de Banda 2,62

Tipo de rodillos de carga Terna

Angulo de rodillos 35°

Diámetro de tambor motriz 273

Diámetro de tambor de retorno 273

Tabla 18: Parámetros iniciales banda inclinada

A partir de los datos anteriores se obtienen los siguientes resultados:

46

Tabla 19: Resultados cálculo banda inclinada

Del análisis se tiene que la banda cumplirá con la demanda de producción, ya que el

análisis muestra que tiene una capacidad de 85,03 m3.

Para cumplir con esta cantidad se necesita un ancho de banda mínimo teórico de 372

mm, pero debido al tamaño de grano, se decide dejar un ancho de 762 mm.

El tamaño mínimo de tambor motriz es de 110mm, la velocidad angular debe ser de

140 rpm y una potencia mínima calculada de 4,91 KW. Al igual que en la banda

horizontal el diámetro del tambor será de 273 mm.

La siguiente tabla resume las características generales de la banda de patio

47


Ancho de Banda 762 mm

Rodillos transportadores Terna a 35°

Longitud de Transporte 17,5 m

Velocidad de banda 2,62 m/s

Capacidad 85 m3/h

Tabla 20: Características generales de banda de patio

Para el soporte de la banda, se deben diseñar soportes articulados, que sostengan las

3 secciones de la misma. Para realizar el análisis se tomó una sección de 6m (máxima

longitud de sección), totalmente cargada e incluyendo todos los elementos motrices.

Además se hace la suposición de que dicho tramo se encuentra en la parte más alta de

la banda. Teniendo en cuenta lo anterior, y seleccionando un perfil tubular cuadrado

de (100x100x4) mm en acero A-36, se realiza un análisis estructural, tomando un

peso de 4 ton que corresponde a la sección de banda estudiada.

Ilustración 28: Deformación máxima en soporte para banda de patio

48

Ilustración 29: Esfuerzo máximo en soporte de banda de patio

Mediante el análisis efectuado se obtiene una deformación máxima de 1,08 mm

(Ilustración 28), y un esfuerzo máximo de 128,18 MPa (Ilustración 29). De acuerdo

a esto, la estructura tendría un factor de seguridad de 1,95.

Una vez definido el material y el perfil de los soportes, se realiza una distribución de

éstos, de modo que cada uno soporte cada una de las secciones de la banda.

(Ilustración 27).

6.1.3. Zona de refrigeración

La zona de refrigeración está compuesta por una banda transportadora que lleva hielo

(escarcha) hasta una báscula que, posteriormente, lo dosificará y descargará en la

banda de patio.

Según el diseño de la mezcla de concreto y de acuerdo a varias pruebas efectuadas

por el productor, se establece que la báscula de hielo debe tener una capacidad de 0,5

m3. Además, para la entrega de éste se solicitó una banda de 18” de ancho a 20° de

inclinación (Ilustración 30).

49

Ilustración 30: Banda y báscula para hielo

La báscula para hielo cuenta con un sistema de compuertas neumáticas y un sistema

de pesaje de celdas tipo barra con capacidad de 4000lbs. Para el soporte sobre la

banda de patio, se diseñó una estructura ligera en donde se incorporó un encausador

y una rejilla afilada que evitara la compactación del hielo (Ilustración 31).

Ilustración 31: Báscula de Hielo

Encausador

Rejilla

50



Peso (Sin material) 824 kg

Dosificación Sistema de compuerta neumáticas

Tabla 21: Características Generales Báscula de hielo

El modelo CAD de la banda es el siguiente:

Ilustración 32: Banda de hielo a 20°. (Dimensiones en mm)

La longitud de la banda se determinó después de realizar el montaje (en modelo) de

la báscula del cliente, y teniendo en cuenta el ángulo de inclinación solicitado.

Puesto a que no se recibió información adicional al material, ancho y ángulo de la

banda transportadora de hielo, se realizó un análisis de la banda mediante el software

de Superior Industries, la cual es una compañía dedicada al diseño de transportadores

para material a granel.

Los parámetros a utilizar fueron:

51

Propiedad Valor

Densidad del Material [Kg/m3] 1764Kg/m3 o 110,12 lb/ft3

Angulo de inclinación 20°

Angulo de sobrecarga 30°

Ancho de banda 457,2 mm o 18”

Velocidad de Banda 2,62 m/s o 516 fpm

Tabla 22: Parámetros iniciales banda de hielo

El ángulo de sobrecarga de un material, es el ángulo qué este forma con respecto a la

horizontal cuando se encuentra en reposo sobre una cinta transportadora (CEMA,

2002).

Éste se determina como se muestra en la imagen

Tabla 23: Ángulos de sobrecarga.(CEMA, 2002)

El ángulo de reposo de un material se refiere al ángulo máximo con que un montículo

de material se mantiene estable sin que se produzca una falla por deslizamiento.

(Rodas & Rousé, 2010)

52

Para el hielo triturado el ángulo de reposo es aproximadamente 30° (“ice-Conveying-

and-Distribution-Equipment.pdf,” [s.f].), por lo tanto su ángulo de sobrecarga es 25°.

Una vez definido los parámetros, se ingresan al sistema el cual calculará la máxima

capacidad:

Tabla 24: Resultados máxima capacidad banda de hielo(“Superior Industries,” [s.f.])

El programa muestra que bajo estas condiciones la capacidad máxima de la banda

será de 321 ton/h. Sin embargo, hay que considerar otras propiedades como el tamaño

del triturado de hielo.

53

Las características de la banda se resumen en la siguiente tabla:


Ancho de banda 18”

Rodillos transportadores Dupla a 35°

Capacidad máxima 350 ton/h

Velocidad recomendada 2,62 m/s

Longitud de transporte 9,5 m

Tabla 25: Características generales Banda de hielo

6.1.4. Zona de mezcla

El eje central de la zona de mezcla es, por supuesto, el mezclador. Allí se hace la

entrega de las cantidades exactas de agregados, cemento y aditivos, para fabricar el

concreto.

La torre de mezcla de la planta AM 60S 4A, se compone de 3 niveles:

a. Nivel 1: Está conformado por el mezclador MAO 3000/2000 y su respectiva

estructura de soporte (Ilustración 33).

Ilustración 33: Zona de mezcla. Nivel 1

Mezclador MAO 3000/2000

Soportes

Base

54

La estructura está diseñada por secciones debido a las restricciones de transporte

(Ilustración 34). Este diseño permite que el carro mezclador circule bajo la torre sin

ningún problema.

Ilustración 34: Vista frontal nivel 1. (Dimensiones en mm)

Ilustración 35: Vista lateral nivel 1 con pasarelas de inspección. (Dimensiones en mm)

55

b. Nivel 2: Este nivel está formado por la báscula de cemento, la báscula de sílice, la

báscula de agua, las básculas de aditivos y la estructura que las soporta (Ilustración

36).

Ilustración 36: Zona de mezcla nivel 2.

Báscula de cemento

Para calcular la capacidad volumétrica de esta báscula, se utiliza la proporción de

materiales en el concreto (Tabla 1). Teniendo en cuenta que para 1m3 de concreto se

necesitan 420 Kg de cemento, se tiene que para el bache de 2 m3 son necesarios 840

Kg de cemento.

Tomando como densidad del cemento 1300 Kg/m3, el volumen mínimo de la báscula

debe ser:

𝑉𝑏𝑐 = 840 𝐾𝑔

1300𝐾𝑔𝑚3

Báscula de agua

Báscula de sílice

Báscula de cemento

Básculas de Aditivos

Estructura

Nivel 2

56

𝑉𝑏𝑐 = 0,65𝑚3

La báscula debe tener una capacidad mínima de 0,65 m3. Del mismo modo que se

hizo el análisis para la báscula de agregados, se diseña la de cemento para que tenga

de reserva la cantidad para otro bache.

Es decir, que la báscula debe tener capacidad de 1,3 m3 más un 25% por pérdida de

volumen debido al comportamiento del material.

Cargas en báscula de cemento

De la misma manera que se hizo el análisis de presiones para la báscula de agregados,

se realiza para la báscula de cemento. Debido a que la báscula presenta una

excentricidad y por lo tanto no es simétrica, el análisis de las caras inclinadas se hace

seleccionando los ángulos más críticos de la geometría del modelo preliminar

(Ilustración 37), para así determinar las máximas presiones sobre la lámina.

Ilustración 37: Modelo preliminar báscula de cemento

57

Considerando lo anterior, las presiones obtenidas se presentan en la tabla

Presiones sección vertical

𝑝ℎ𝑓 5,58 KN/m2

𝑝𝑤𝑓 2,45 KN/m2

𝑝𝑣𝑓 8,61 KN/m2

Tabla 27: Presiones en sección vertical de báscula de cemento

Presiones sección inclinada

𝑝𝑛1 9,46 KN/m2

𝑝𝑛2 3,68 KN/m2

𝑝𝑛3 9,30 KN/m2

𝑝𝑛 18,76 KN/m2

𝑝𝑡 3,91 KN/m2

Tabla 28: Presiones en sección inclinada de báscula

DATOS INICIALES


Material Cemento N/A

𝑃𝑣𝑓 6,18 KN/m2 N/A

𝜇ℎ 0,33 (Ver Anexo 1 pg 99)

K 0,40 (Ver Anexo 1 pg 99)

𝐶𝑏 1,3 N/A

𝛽 41° N/A

Tabla 26: Datos iniciales para cálculo de báscula de cemento

58

Con estos datos y utilizando una lámina HR 3/16” de acero A-36, se procede a hacer

la simulación virtual

Ilustración 38: Deformación máxima en báscula de cemento

Ilustración 39: Máximo esfuerzo en báscula de cemento

59

De acuerdo al análisis, se obtiene una deformación máxima de 0,98mm en la parte

superior de la lámina vertical, y en el centro de la lámina inclinada (Ilustración 38).

También se muestra el esfuerzo máximo de 22,67 MPa (Ilustración 39). De esta

manera la báscula tiene un factor de seguridad de 11.

Modelo final

A partir de los análisis y los requerimientos iniciales, se llega al siguiente modelo

Ilustración 40: Báscula de Cemento

Al igual que las demás tolvas, se colocaron refuerzos internos y externos para reducir

los esfuerzos sobre la báscula. En la parte superior se colocaron dos entradas para el

cargue de cemento. La dosificación se hace mediante una válvula mariposa controlada

automáticamente. Finalmente, para el sistema de pesaje se seleccionó un sistema de

celdas tipo barra.

60

A continuación se resumen las características generales de la báscula de cemento






Dosificación Válvula Mariposa

Alimentación Silos mediante tornillo sinfín

Tabla 29: Características generales de báscula de cemento

De acuerdo a la mezcla diseñada por el productor, se diseña una báscula de sílice que

es exactamente igual a la báscula de cemento.

En esta planta un porcentaje de la cantidad de cemento será reemplazado por humo

de sílice, el cual, debido a su finura, permite una mayor y mejor oclusión de los poros

de la mezcla, ofreciendo de esta manera un concreto más estable, resistente y

duradero(Vidaud, E., n.d.).

Dicha báscula será alimentada mediante un tornillo sinfín desde un silo de sílice de

15m3, el cual estará ubicado en el nivel 3 de la zona de mezcla.

Báscula de agua

Para el diseño de la báscula de agua, de nuevo se tiene en cuenta la relación de los

materiales en la mezcla (Tabla 1), la cual establece que para 1m3 de concreto se

necesitan 250L de agua.

Es decir, que para el bache de 2m3, la cantidad de agua necesaria es de 500L o 0,05m3.

En este caso no se adiciona porcentaje por pérdida del volumen, puesto que el agua

llena completamente el contenedor.

Debido a los análisis realizados a las demás tolvas, se decide utilizar el mismo

material (Lámina hr 3/16), para mantener la uniformidad.

Por lo tanto, el modelo de la báscula de agua es el siguiente:

61

Ilustración 41: Báscula de agua. (Dimensiones en mm)

El cargue de agua se hace mediante tubería que es alimentada por un tanque de agua

que el productor de concreto debe tener en obra.

La dosificación del líquido se hace de manera automática mediante una válvula

mariposa ubicada en las dos bocas de la báscula. La báscula tiene dos bocas para así

poder distribuir mejor el líquido a lo ancho del mezclador

El pesaje se hace mediante celdas tipo barra de capacidad de 4000 lbs.

Adicionalmente se ubican orejas de agarre en los extremos para hacer más fácil su

montaje.

Las características generales se muestran en la tabla a continuación

62



Peso (Sin material) 130 kg

Dosificación Válvula mariposa de accionamiento neumático



Alimentación Por medio de tubería desde tanque en obra

Tabla 30: Características generales báscula de agua

c. Nivel 3: En este nivel se encuentra el silo de sílice (suministrado por el productor)

y su respectiva estructura de soporte (Ilustración 23).

Ilustración 42: Zona de mezcla. Nivel 3

Cargas en torre de mezcla

Debido a que la torre mezcla presenta gran cantidad de elementos, entre ellos el silo,

el cual almacenara una significativa cantidad de material, se realiza un análisis

estructural por niveles.

Nivel 3

63

Estructura Nivel 3

Esta estructura soporta el silo de sílice de 15m3 mediante 4 apoyos flanchados. El silo

cargado de sílice con su respectivo chasis, pesan aproximadamente 45 ton.

Para esta estructura se selecciona un perfil IPE 140. A partir de estos datos se realiza

el respectivo análisis estructural

Ilustración 43: Deformación máxima en estructura nivel 3

Ilustración 44: Esfuerzo máximo en estructura nivel 3

64

Los resultados del análisis muestran una deformación máxima de 0,31 mm

(Ilustración 43) y un esfuerzo máximo de 61,85MPa (Ilustración 44). Por lo tanto la

estructura tiene un factor de seguridad de 4.

Estructura Nivel 2

La estructura del nivel 2 es la encargada de soportar las basculas de cemento, sílice y

agua; además de soportar el nivel superior (Nivel 3).

Para realiza el análisis estructural correspondiente se tomaron en cuenta los siguientes

pesos

Descripción Peso (N)

Báscula de cemento (Llena) 26840

Báscula de sílice (Llena) 44144

Báscula de agua 7000

Soporte de básculas 3500

Nivel 3 500000

Tabla 31: Pesos totales en nivel 2

En los 4 apoyos externos, se debe soportar una fuerza de 12500N que corresponde al

peso que ejerce el nivel 3 sobre la estructura. En los apoyos internos la fuerza aplicada

es de 20371N, que es la fuerza que ejercen las básculas cargadas, sobre dicha

estructura (Ilustración 45).

65

Ilustración 45: Fuerzas sobre la estructura del nivel 2

Una vez establecidas las condiciones del análisis, se realiza la respectiva simulación

la cual genera los siguientes resultados:

Ilustración 46: Esfuerzos máximos en nivel 2

66

Ilustración 47: Deformación máxima en nivel 2

Tal y como se muestra en las ilustraciones, el esfuerzo máximo es de 175 MPa en los

flanches que soportan el nivel 3 (Ilustración 46). Asimismo se observa que la mayor

deformación es de 2,08mm y se produce en el centro de la estructura. De acuerdo a

lo anterior, el factor de seguridad de la estructura es de 1,43.

Estructura Nivel 1

Finalmente, la estructura de primer nivel será la que soporte el mezclador y los niveles

1 y 2. Por ello se tienen en cuenta los siguientes pesos

Descripción Peso (KN)

Mezclador 3000/2000 123000

Nivel 2 101504

Nivel 3 500000

Tabla 32: Pesos Totales en nivel 1

67

Para realizar el análisis de la estructura se utiliza un perfil HEA 240 de Acero A-36.

Ilustración 48: Esfuerzo máximo en estructura de nivel 1

Ilustración 49: Deformación máxima estructura de nivel 1

68

El análisis señala que el esfuerzo máximo es de 183,42MPa y la deformación máxima

es de 1,63mm en los flanches que soportan los niveles superiores. Por este motivo se

colocan platinas de refuerzo para reducir los esfuerzos. De esta manera la estructura

de primer nivel cuenta con un factor de seguridad de 1,36.

Montaje Final

Finalmente el montaje de la planta AM 60S 4A se compone de las 4 zonas, como se

muestra a continuación:

Ilustración 50: Montaje planta AM 60S 4A

69

Ilustración 51: Vista frontal planta AM 60S 4A. (Dimensiones en mm)

Ilustración 52: Vista superior

70

6.4. Documentación

Una vez está terminado y aprobado el modelo CAD, se procede a realizar los planos

de fabricación de la planta. A continuación se presenta la relación de los planos

generadosiv a partir del modelo principal:

PLANOS DE FABRICACIÓN PLANTA AM 60S 4A

CONJUNTO DOCUMENTO REFERENCIA

Almacén de Agregados AM60S4A-AA02-V2.0 Anexo 2

Chasis Almacén de Agregados AM60S4A-CHAA01-V2.0 Anexo 3

Báscula de Agregados AM60S4A-BA02-V2.0 Anexo 4

Chasis principal AM60S4A-CHP01-V2.0 Anexo 5

Banda Horizontal AM60S4A-BH01-V2.0 Anexo 6

Banda de Patio AM60S4A-EBP01-V2.0 Anexo 7

Soportes torre de mezcla AM60S4A-PTM01-V2.0 Anexo 8

Base de mezclador (Nivel 1) AM60S4A-BM-V2.0 Anexo 9

Ensamble Nivel 2 AM60S4A-TMN2-V2.0 Anexo 10

Base Nivel 2 AM60S4A-BN2-V2.0 Anexo 11

Báscula de Cemento AM60S4A-BC-V2.0 Anexo 12

Báscula de Agua AM60S4A-BH2O-V2.0 Anexo 13

Estructura Nivel 3 AM60S4A-TMN3-V2.0 Anexo 14

iv Se presentan fragmentos de los documentos debido a políticas de confidencialidad.

71

6.5. Montaje de la planta

Para la puesta en funcionamiento de la planta en obra, es necesario crear un plan de montaje,

debido a la cantidad de equipos y elementos que esta posee. Por ello se propone el siguiente

esquema:

En este gráfico se divide la planta en 4 zonas diferentes, se identifican los conjuntos

o equipos que las componen, y los factores a tener en cuenta para realizar el montaje.

Es de vital importancia establecer los puntos de izaje de la máquina, para no perder

tiempos en el ensamble de ésta. Asimismo, el montaje resulta más efectivo cuando ya

se cuenta con un procedimiento ordenado, puesto que es más fácil identificar la

maquinaria y los elementos indispensables para éste. Dicho procedimiento se

evidencia en un manual de montaje (Ver anexo 15).

AM 60S 4A

ZONA AGREGADOS

CONJUNTOS:

1. Almacen Agregados: Chasis .+ Almacén

2.Chasis principal: Chasis + Basculas +Banda Horizontal

MONTAJE:

1. Puntos de Izaje.

2. Amarre para cargue

3. Procedimiento

ZONA BANDA DE PATIO

CONJUNTOS:

1. Banda de Patio

2. Sistema de Seguridad

3. Soportes de Banda

MONTAJE:

1. Puntos de Izaje.


3. Procedimiento

ZONA DE HIELO

CONJUNTOS:

1. Banda: Banda+S.Seguridad+Soportes

2. Bascula de Hielo: Bascula+ Chasis

MONTAJE:

1. Puntos de Izaje.


3. Procedimiento

ZONA DE MEZCLA

CONJUNTOS:

1. NIVEL 1: Base+Patas+ S.Seguridad

2. NIVEL 2: Estructura+ S.Seguridad+Chasis Básculas+Básculas.

3. NIVEL 3: Estructura+S.Seguridad

4. NIVEL 4: Silo+ Chasis

MONTAJE:

1. Puntos de Izaje.


3. Procedimiento

72

7. CONCLUSIONES

Para la construcción del viaducto de 5 Km que conectará las ciudades de Cartagena

y Barranquilla, se diseñó la planta AM 60S 4A, la cual entregará concreto de alta

resistencia a 60m3/h. En el ambiente en el que se desarrolla éste proyecto existen

condiciones ambientales que afectan directamente el producto, principalmente la

temperatura, la cual influye en la manejabilidad del concretovvi. Por ello, se tuvo que

acoplar un sistema de enfriamiento de la mezcla por medio de hielo, lo que resultó

un reto, puesto que habitualmente las plantas diseñadas en la compañía no cuentan

con dicho sistema. Con la contribución de los proveedores y el productor de concreto,

quien es el que finalmente diseña la mezcla deseada, se construyó una banda

transportadora, que tiene la función de llevar hielo en escamas, hasta una báscula la

cual dosifica el hielo necesario para obtener el concreto requerido.

De acuerdo a los tiempos de producción, y a la mezcla diseñada por el productor,

se diseñaron los equipos adecuados para entregar la cantidad de agregados, cemento

y agua, necesarios para cumplir con los requerimientos del productor. Para esto se

crearon sistemas de almacenamiento y pesaje, para dosificar la cantidad exacta de

material para la mezcla, y asimismo hacerlo en el tiempo solicitado.

La elaboración de un plan de montaje contribuye ampliamente en la instalación de

la planta en obra. Al contar con una herramienta como el manual de montaje, los

tiempos de montaje se reducen, y se evitan sobrecostos en maquinaria de elevación

para el ensamble del equipo. Además, se pueden establecer con facilidad todos los

recursos necesarios para esta labor.

vi En el proceso de curado (donde el concreto adquiere la mayor resistencia), la temperatura del

concreto debe ser entre 17°C a 27°C, para evitar agrietamiento o que el concreto no alcance la

resistencia requerida por el proyecto.(NRMCA, n.d.)

73

Se debe incentivar la realización de proyectos de este tipo, puesto que no sólo

contribuyen a mejorar la infraestructura del país, sino que también promueven que las

industrias nacionales hagan grandes avances en materia de investigación y desarrollo,

lo que en un futuro las hará altamente competitivas a nivel global.

8. BIBLIOGRAFIA

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