12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICAGuayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

DISEÑO Y MODELADO VIRTUAL DE UNA PLANTA MÓVIL DOSIFICADORADE MATERIA PRIMA PARA LA PRODUCCIÓN DE HORMIGÓN.

Mejía Loayza C. *, Camacho Brausendorff F. M.Sc. (Director)º,

*FIMCP - Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la ProducciónEscuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Km. 30.5 Vía Perimetral, Guayaquil, Ecuadorcemejia@espol.edu.ec

ºFIMCP - Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la ProducciónEscuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Km. 30.5 Vía Perimetral, Guayaquil, Ecuadorfcamacho@espol.edu.ec

RESUMEN

Este artículo detalla el diseño de una planta móvil-desmontable para brindar el servicio de preparación dehormigón en cualquier sitio con o sin limitaciones de acceso para todo tipo de construcción, ésta tendrá unacapacidad productiva de 20 m³/h y podrá desensamblarse y ser trasladada a cualquier lugar. Para el desarrollo delos diseños se tomó como premisa el conocimiento de las propiedades de las materias primas a manejar, ya quecon estas se diseñan los sistemas de dosificación como: tolvas de almacenamiento y pesadoras; sistemastransportadores como: bandas transportadoras y tornillos helicoidales. Adicionalmente, se diseñó y/o seleccionólos sistemas auxiliares como: sistemas hidráulicos, neumáticos, desempolvados, seguridad personal y eléctrico;finalmente se diseñaron los bastidores y estructuras de soporte para los diferentes equipos. Estos diseños hanconsiderado las respectivas normas nacionales (INEN), así como normas y estándares internacionales (ACI,ASTM, CEMA, AISI) para garantizar las mayores exigencias de control. Todos los modelos planteados sedesarrollaron con software ingenieril como AutoCAD®, Inventor Professional®, ANSYS® y SAP 2000®; con losque se ejecutaron la ingeniería básica, ingeniería detallada y simulaciones virtuales de la planta.

PALABRAS CLAVE: Planta Móvil, Hormigón, Diseño, Modelado Virtual.

DISEÑO CONCEPTUAL

Factores de influencias

Representan las restricciones a tomarse en cuenta para el diseño de la planta hormigonera, los cuales son:- Demanda de producción.- Propiedades de los materiales a manipular.- Facilidad de transporte y montaje de la planta.- Compactibilidad de la estructura y sistema dosificador de agregados.- Facilidad de alimentación de agregados a tolvas dosificadoras.- Sistema de desempolvado- Cantidad de energía demandada por el uso de la planta

Valores máximos de masa para dimensionamiento de sistemas

Estos valores son obtenidos mediante el uso del método del comité 211 del ACI para el diseño de la mezcla dehormigón; los resultados se presentan en la tabla 1, los mismos que representaran la línea base para eldimensionamiento de las tolvas de cemento y agregados, así como los sistemas de transporte requeridos. [1]:

Tabla 1: Valores máximos de masa para cada materia prima

MATERIALMÁXIMA MASA

REQUERIDA POR 1 m3

DE HORMIGÓNAgua 184,0 kgCemento 384,9 kgPiedra (seca) 913,5 kgArena (seca) 856,5 kg

Capacidad máxima de hormigón en el interior del tambor de un mixer

En la figura 1 se ilustra el máximo volumen de llenado del tambor de un mixer según lo indicado por la normaASTM C94 [2].

Fig. 1: Capacidad de hormigón en el interior del tambor de un mixer de 8 m3

Análisis de capacidad y tiempos de producción

Con la información obtenida de la tabla 1 y conociendo que cada mixer será llenado con 5 m3 de hormigón, sedetermina la cantidad de masa necesaria para cada ciclo de dosificación y se elabora el análisis de tiempos porciclo de proceso para la dosificación de las materias primas; lo cual se muestra en la tabla 2 y figura 2respectivamente.

8m3 x 63% = 5m3

Masa de Hormigón

Tabla 2: Dosificación de materias primas por ciclo

Fig. 2: Análisis de tiempos para la secuencia de dosificación de materias primas

Con los cálculos realizados, se determina la capacidad de producción de la planta hormigonera, es decir:

Con esta información se establece el dimensionamiento de la capacidad de los sistemas de almacenamiento,por lo tanto en la tabla 3 se muestran los resultados obtenidos.

Tabla 3: Dimensionamiento de tolvas para las materias primas

DISEÑO DE FORMA

El diseño de forma contempla el esquema general de la planta, por lo que en la figura 3 se detalla el layoutglobal de la misma.

Fig. 3: Diseño de forma de planta dosificadora de materias primas para la producción de hormigón.

SISTEMAS DE DOSIFICACIÓN DE MATERIA PRIMA

A estas tolvas (Fig. 4) se les realiza el cálculo analítico de las presiones sobre cada una y con esta informaciónse efectúa el análisis computacional utilizando el software de elementos finitos ANSYS para corroborar que eldiseño sea capaz de soportar las cargas a la cual se encuentra sometida. En la figura 5 se muestra a razón deejemplo los análisis efectuados a cada tolva del sistema [3].

Fig. 4: Diseño detallado, tolvas de cemento y agregados

Fig. 5: Dimensionamiento de tolva pesadora de agregados.

SISTEMAS DE TRANSPORTE

Tornillos helicoidales

Son utilizados para el transporte del cemento entre la tolva de almacenamiento de cemento hasta el carromezclador. En la tabla 4 se detallan los parámetros finales de diseño para cada tornillo [4] [5].

Tabla 4: Resultados de tornillos helicoidales

DESCRIPCIÓNRESULTADOSTORNILLO 1

RESULTADOSTORNILLO 2

UNIDAD

Longitud 3,4 3,4 m

Diámetro del tornillo helicoidal 6 6 in

Paso del helicoidal 6 6 in

Angulo de inclinación 20 17 º

Capacidad de transporte másico 20 20 t/h

Capacidad de transporte volumétrico 220,9 220,9 ft³/h

Potencia de Motor 3 3 hp

Torque del equipo 1,4 1,4 lb in

Revoluciones por minuto 148 148 rpm

Bandas transportadoras

Las bandas transportadoras son equipos que se han seleccionado para principalmente el transporte de losagregados finos y gruesos, desde las tolvas pesadoras de agregados hasta el carro mezclador. En la tabla 5 sedetallan los parámetros finales para cada banda transportadora. [6] [7].

Tabla 5: Resultados de banda transportadora 1

DESCRIPCIÓNRESULTADOS

BANDA 1RESULTADOS

BANDA 2UNIDAD

Longitud 5,4 9 m

Capacidad de transporte másico 77 77 t/h

Angulo de inclinación 0 17 º

Diámetro de tambor 0,4 0,4 m

Diámetro de rodillos 0,1 0,1 m

Ancho de banda 1 1 m

Potencia de Motor 5 8 hp

Torque del equipo 1481 2351 N m

Revoluciones por minuto 30 30 rpm

DISEÑO ESTRUCTURAL

El diseño de la estructura de la planta se ha dividido en tres módulos totalmente diferenciados, los mismosque se detallan en la figura 6 a continuación:

Fig. 6: Esquema de la estructura de la planta

Para realizar el modelado de la planta en el software de elementos finitos SAP 2000, es necesario conocer ladistribución de las cargas de todos los equipos que se soportan sobre las estructuras y con ellos se procede amodelar el sistema integral de las estructuras de toda la planta dosificadora; obteniendo como resultados losporcentajes de utilización de cada componente estructural, tal como se muestra en la figura 7 [8] [9] [10].

Fig. 7: Porcentaje de utilización en el modelado 3D de SAP 2000

SISTEMAS AUXILIARES

Sistema hidráulico

Para el dimensionamiento del sistema de bombeo se han seleccionado como puntos de análisis entre el tanquede almacenamiento de agua y antes de la descarga del agua hacia el carro mezclador, y con estos datos calcularel diámetro de la tubería y velocidad con la que se moverá el fluido, obteniendo 2 m/s y 50,8 mmrespectivamente; y a través de la ecuación de la energía Ec. (1) se calcula la potencia necesaria de la bomba.

(1)

Sistema neumático

Principalmente se lo utiliza para el trabajo con los pistones que controlan el movimiento de las compuertasdosificadoras de material (Fig. 8); para su selección es necesario conocer su carrera. [11].

Fig. 8: Carrera de pistón a un giro de 68° de la compuerta

Una vez seleccionados todos los pistones, se determina el consumo total de aire en la planta, el mismo que sedetalla en la tabla 8 a continuación:

Tabla 8: Consumo total de aire comprimido

DESCRIPCIÓN CANTIDAD( ) ( )

Cilindro DSBC-125-250-PPSA-N3 8 0.38 3.04Cilindro DSBG-200-200-PPV-N3 8 0.89 6.96DN350 con cilindro C250/375 1 1.52 1.52DN250 con cilindro C200/270 1 1.05 1.05

TOTAL 12.57

Con esta información se selecciona un compresor Ingersoll Rand modelo 2475N7.5-P de pistón. El mismoque presenta las siguientes características: Presión máxima de suministro hasta 175 psig, caudal efectivo de 24cfm, potencia motor: 7.5 hp, incorporado con tanque pulmón de aire: 80 galones, dimensiones: 120 x 100 x 193(cm) y peso 277 kg, con una unidad de mantenimiento modelo FRC-3/4-D-5M-MIDI-A marca FESTO.

Sistema de desempolvado

Este sistema es indispensable para evitar la existencia de material particulado de cemento en los alrededoresde la planta. Para la selección del filtro de manga adecuado para la tolva de almacenamiento de cemento, setuvo en cuenta la descarga de un camión cisterna de 30 toneladas de capacidad a razón de 200 3∕ℎ. Y con estainformación se seleccionará un filtro marca WAMGROUP de las siguientes características: Área de filtración de2m2, Acero inoxidable y Sistema de limpieza por pulsos de aire comprimido integrado en la cubierta superior.

Filtro de mangas paratolva de almacenamientode cemento

Filtro de mangaspara tolva depesadora decemento

Fig. 9: Esquema de ubicación de filtros de mangas

Sistema eléctrico

Para el asegurar el continuo funcionamiento de la planta en todo momento y en lugares de difícil acceso se haseleccionado un generador GEP65-9, que cuenta con las siguientes características: Frecuencia: 60 Hz,Capacidad: 55 KW y un consumo de combustible: 13.6 l/h

TRANSPORTE E INSTALACIÓN

La planta se divide en tres grupos A, B y C, y cada grupo será trasladado en su respectiva plataforma; en lafigura 10 se puede identificar como se han separado los distintos equipos de la planta para su transporte.

Fig. 10: Arreglo de los grupos a ser transportados

Para la instalación de los tres grupos se utilizará una grúa con capacidad de 25 toneladas, la cual instalarátodos los módulos y equipos complementarios de cada sistema.

El ensamble completo de la planta dosificadora de materia prima para la producción de hormigón se puedevisualizar en la figura 11 que se muestra a continuación:

Fig. 11: Planta Dosificadora de materia prima

CONCLUSIONES

Se logró el diseño de una planta móvil dosificadora de materias primas para la producción de hormigónutilizando datos reales y normados de manera que su movilidad e instalación se pueda efectuar en cualquier lugardel país incluyendo los de difícil acceso, ya que es de tipo modular desmontable.

Las características técnicas establecidas por normas nacionales e internacionales requieren de cálculosespecíficos para los elementos que conforman la planta, por lo tanto el presente proyecto fue evaluado mediantela utilización de software ingenieriles que usan los métodos matemáticos y procedimientos considerados endichas normativas.

REFERENCIAS

1. Cálculo y diseño de Mezclas de concreto método ACI comité 211, Comité 211 del American ConcreteInstitute.

2. User's Guide to ASTM Specification C 94 on Ready-Mixed Concrete, ASTM Manual series, Bridgeport,USA, 2005.

3. UNE-ENV 1991-4, EUROCÓDIGO 1. Bases de proyecto y acciones en estructuras. Parte 4: Acciones ensilos y depósitos. Norma española experimental, 1995.

4. El Gran Catalogo 4000, Martin Sprocket & Gear. Disponible en http://www.martinsprocket.com/.5. Tesis de grado ESPOL, Software para diseño de transportadores de tornillo sinfín, 2005. Disponible en

http://www.dspace.espol.edu.ec/.6. Manual de cálculo de cintas transportadoras, Industrias Pirelli S.A.I.C., Republica argentina. Disponible

en http://www.pirelli.com/.7. Tesis de grado ESPOL, Software para diseño de transportadores de bandas, 2002. Disponible en

http://www.dspace.espol.edu.ec/.8. CPE INEN 5 Parte 1:2001, Código ecuatoriano de la construcción. Requisitos generales de diseño.

Instituto Nacional Ecuatoriano de Normalización, Primera edición, Ecuador, 2001.9. Load and resistence factor design especification for structural stell buildings (LRFD). American

Institute of Steel Construction (AISC). 1999.10. UNIFORM BUILDING CODE (UBC-97), Structural design requirements. Segunda edición, 1997.11. Hesse Aire comprimido, fuente de energía, preparación y distribución. FESTO. 2002.

NOMENCLATURA