View
6
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
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
2
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
3
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
4
Tabla 30: Características generales báscula de agua ......................................................... 62
Tabla 31: Pesos totales en nivel 2 ........................................................................................ 64
Tabla 32: Pesos Totales en nivel 1 ....................................................................................... 66
5
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
6
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
7
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.
8
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.
9
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.
10
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.
11
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.).
12
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
13
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.
14
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.
15
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
18
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.
19
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.
20
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
23
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
Propiedad Valor Referencia
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
Peso (Sin material) 3569 Kg
Material Acero ASTM A-36
Manufactura Lámina HR 3/16”
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
Características Generales
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
Características Generales
Capacidad Volumétrica 0,5 m3
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:
Características Generales
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
Propiedad Valor Referencia
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
Características Generales
Capacidad Volumétrica 1,68 m3
Peso (Sin material) 420 Kg
Material Acero ASTM A-36
Manufactura Lámina HR 3/16”
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
Características Generales
Capacidad Volumétrica 0,5 m3
Peso (Sin material) 130 kg
Dosificación Válvula mariposa de accionamiento neumático
Material Acero ASTM A-36
Manufactura Lámina HR 3/16”
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.
2. Amarre para cargue
3. Procedimiento
ZONA DE HIELO
CONJUNTOS:
1. Banda: Banda+S.Seguridad+Soportes
2. Bascula de Hielo: Bascula+ Chasis
MONTAJE:
1. Puntos de Izaje.
2. Amarre para cargue
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.
2. Amarre para cargue
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
AD-60. (n.d.). Retrieved May 6, 2016, from http://www.altroningenieria.com/dosificadoras/
capacidad-60-m3-por-hora/ad-60
AD-60-S-3A. (n.d.). Retrieved May 5, 2016, from http://www.altroningenieria.com/
dosificadoras/capacidad-60-m3-por-hora/ad-60-s-3a
CEMA. (2002, July). Belt Conveyors for Bulk Materials.
CESVI COLOMBIA. (2007, November 11). TRANSPORTE DE CARGA
EXTRADIMENSIONADA “OPERACIÓN ESPECIAL, MEDIDAS ESPECIALES.”
Retrieved from
http://www.responsabilidadintegral.org/administracion/circulares/archivos/Transporte%20d
e%20carga%20extradimensionada.pdf
ConstruyaFácil. (n.d.). Dosificaciones por volumen en mezclas de concreto. Retrieved from
http://www.construyafacil.org/2012/05/dosificaciones-por-volumen-en-mezclas.html
EUROPEAN COMMITTE FOR STANDARDIZATION. (2006, May). EUROCODE 1:
ACTIONS IN STRUCTURES. PART 4 : SILOS AND TANKS.
ice-Conveying-and-Distribution-Equipment.pdf. (n.d.). Retrieved from
http://www.northstarice.com/pdf/whitePapers/ice-Conveying-and-Distribution-
Equipment.pdf
74
Jansen and Heuning. (n.d.). Belt conveyor calculation. Retrieved November 1, 2016, from
http://www.solidsprocessing.nl/applic/jh/bandtransporteur/berekening.php?site=NL&lang=
UK
NRMCA. (n.d.). Colocación del concreto en clima cálido. Retrieved August 22, 2016, from
http://www.nrmca.org/aboutconcrete/cips/CIP12es.pdf
Plantas Dosificadoras de Concreto. (n.d.). Retrieved May 5, 2016, from
http://www.altroningenieria.com/
Rodas, R., & Rousé, P. (2010). Análisis Comparativo de Métodos para la Medición del
Ángulo de Reposo de Suelos Granulares. Revista de La Construcción, 9(1), 98–106.
https://doi.org/10.4067/S0718-915X2010000100011
Sanz, Pablo. (2011). SOFTWARE PARA EL DISEÑO DE UNA BANDA
TRANSPORTADORA Y CREACIÓN DEL MODELO DE ELEMENTOS FINITOS
ASOCIADO. Retrieved from http://e-
archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/11759/PFC_Pablo_Hernando_Sanz.pdf?sequence
=1
SICOMA. (n.d.). Mezcladora doble eje horizontal. Retrieved from http://www.galletti-
iberica.es/cs/Satellite?blobkey=id&blobwhere=1302886301162&blobheader=application%
2Fpdf&blobheadername1=Content-
Disposition&blobheadervalue1=inline%3B+filename%3Dmao_esp_070416.pdf&blobcol=
urldocument&blobtable=UXDocument&moddate=2016-05-20%2009:04:25
Superior Industries. (n.d.). Retrieved November 1, 2016, from http://superior-
ind.com/subdomains/calculators/belt-capacity.php?mode=next
Vías 4G (Colombia). (n.d.). Retrieved from
https://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%ADas_4G_(Colombia)
Vidaud, E. (n.d.). El humo de sílice como adición al concreto estructural. Retrieved August
1, 2016, from http://www.imcyc.com/revistacyt/sep11/artingenieria.html
Recommended