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

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1 12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015 DISEÑO Y MODELADO VIRTUAL DE UNA PLANTA MÓVIL DOSIFICADORA DE 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 Producción Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Km Vía Perimetral, Guayaquil, Ecuador cemejia@espol.edu.ec ºFIMCP - Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Km Vía Perimetral, Guayaquil, Ecuador fcamacho@espol.edu.ec RESUMEN Este artículo detalla el diseño de una planta móvil-desmontable para brindar el servicio de preparación de hormigón en cualquier sitio con o sin limitaciones de acceso para todo tipo de construcción, ésta tendrá una capacidad productiva de 20 m³/h y podrá desensamblarse y ser trasladada a cualquier lugar. Para el desarrollo de los diseños se tomó como premisa el conocimiento de las propiedades de las materias primas a manejar, ya que con estas se diseñan los sistemas de dosificación como: tolvas de almacenamiento y pesadoras; sistemas transportadores como: bandas transportadoras y tornillos helicoidales. Adicionalmente, se diseñó y/o seleccionó los 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 han considerado 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 se desarrollaron con software ingenieril como AutoCAD, Inventor Professional, ANSYS y SAP 2000 ; con los que se ejecutaron la ingeniería básica, ingeniería detallada y simulaciones virtuales de la planta. PALABRAS CLAVE: Planta Móvil, Hormigón, Diseño, Modelado Virtual.

2 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 de hormigón; los resultados se presentan en la tabla 1, los mismos que representaran la línea base para el dimensionamiento 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 MÁXIMA MASA MATERIAL REQUERIDA POR 1 m 3 DE HORMIGÓN Agua 184,0 kg Cemento 384,9 kg Piedra (seca) 913,5 kg Arena (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 norma ASTM C94 [2]. 8m 3 x 63% = 5m 3 Masa de Hormigón Fig. 1: Capacidad de hormigón en el interior del tambor de un mixer de 8 m 3 Análisis de capacidad y tiempos de producción Con la información obtenida de la tabla 1 y conociendo que cada mixer será llenado con 5 m 3 de hormigón, se determina la cantidad de masa necesaria para cada ciclo de dosificación y se elabora el análisis de tiempos por ciclo de proceso para la dosificación de las materias primas; lo cual se muestra en la tabla 2 y figura 2 respectivamente.

3 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 layout global de la misma.

4 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 información se efectúa el análisis computacional utilizando el software de elementos finitos ANSYS para corroborar que el diseño sea capaz de soportar las cargas a la cual se encuentra sometida. En la figura 5 se muestra a razón de ejemplo los análisis efectuados a cada tolva del sistema [3]. Fig. 4: Diseño detallado, tolvas de cemento y agregados

5 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 carro mezclador. En la tabla 4 se detallan los parámetros finales de diseño para cada tornillo [4] [5]. Tabla 4: Resultados de tornillos helicoidales DESCRIPCIÓN RESULTADOS TORNILLO 1 RESULTADOS TORNILLO 2 UNIDAD Longitud 3,4 3,4 m Diámetro del tornillo helicoidal 6 6 in Paso del helicoidal 6 6 in Angulo de inclinación º Capacidad de transporte másico 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 rpm Bandas transportadoras Las bandas transportadoras son equipos que se han seleccionado para principalmente el transporte de los agregados finos y gruesos, desde las tolvas pesadoras de agregados hasta el carro mezclador. En la tabla 5 se detallan los parámetros finales para cada banda transportadora. [6] [7]. Tabla 5: Resultados de banda transportadora 1 DESCRIPCIÓN RESULTADOS BANDA 1 RESULTADOS BANDA 2 UNIDAD Longitud 5,4 9 m Capacidad de transporte másico 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 N m Revoluciones por minuto rpm

6 DISEÑO ESTRUCTURAL El diseño de la estructura de la planta se ha dividido en tres módulos totalmente diferenciados, los mismos que 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 la distribución de las cargas de todos los equipos que se soportan sobre las estructuras y con ellos se procede a modelar el sistema integral de las estructuras de toda la planta dosificadora; obteniendo como resultados los porcentajes 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 tanque de almacenamiento de agua y antes de la descarga del agua hacia el carro mezclador, y con estos datos calcular el diámetro de la tubería y velocidad con la que se moverá el fluido, obteniendo 2 m/s y 50,8 mm respectivamente; y a través de la ecuación de la energía Ec. (1) se calcula la potencia necesaria de la bomba.

7 (1) Sistema neumático Principalmente se lo utiliza para el trabajo con los pistones que controlan el movimiento de las compuertas dosificadoras 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 se detalla en la tabla 8 a continuación: Tabla 8: Consumo total de aire comprimido DESCRIPCIÓN CANTIDAD ( ) ( ) Cilindro DSBC PPSA-N Cilindro DSBG PPV-N DN350 con cilindro C250/ DN250 con cilindro C200/ TOTAL Con esta información se selecciona un compresor Ingersoll Rand modelo 2475N7.5-P de pistón. El mismo que presenta las siguientes características: Presión máxima de suministro hasta 175 psig, caudal efectivo de 24 cfm, 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 alrededores de la planta. Para la selección del filtro de manga adecuado para la tolva de almacenamiento de cemento, se tuvo en cuenta la descarga de un camión cisterna de 30 toneladas de capacidad a razón de h. Y con esta información se seleccionará un filtro marca WAMGROUP de las siguientes características: Área de filtración de 2m 2, Acero inoxidable y Sistema de limpieza por pulsos de aire comprimido integrado en la cubierta superior.

8 Filtro de mangas para tolva de almacenamiento de cemento Filtro de mangas para tolva de pesadora de cemento 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 ha seleccionado 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 la figura 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 instalará todos los módulos y equipos complementarios de cada sistema. El ensamble completo de la planta dosificadora de materia prima para la producción de hormigón se puede visualizar en la figura 11 que se muestra a continuación:

9 Fig. 11: Planta Dosificadora de materia prima CONCLUSIONES Se logró el diseño de una planta móvil dosificadora de materias primas para la producción de hormigón utilizando datos reales y normados de manera que su movilidad e instalación se pueda efectuar en cualquier lugar del país incluyendo los de difícil acceso, ya que es de tipo modular desmontable. Las características técnicas establecidas por normas nacionales e internacionales requieren de cálculos específicos para los elementos que conforman la planta, por lo tanto el presente proyecto fue evaluado mediante la utilización de software ingenieriles que usan los métodos matemáticos y procedimientos considerados en dichas normativas. REFERENCIAS 1. Cálculo y diseño de Mezclas de concreto método ACI comité 211, Comité 211 del American Concrete Institute. 2. User's Guide to ASTM Specification C 94 on Ready-Mixed Concrete, ASTM Manual series, Bridgeport, USA, UNE-ENV , EUROCÓDIGO 1. Bases de proyecto y acciones en estructuras. Parte 4: Acciones en silos y depósitos. Norma española experimental, El Gran Catalogo 4000, Martin Sprocket & Gear. Disponible en 5. Tesis de grado ESPOL, Software para diseño de transportadores de tornillo sinfín, Disponible en 6. Manual de cálculo de cintas transportadoras, Industrias Pirelli S.A.I.C., Republica argentina. Disponible en 7. Tesis de grado ESPOL, Software para diseño de transportadores de bandas, Disponible en 8. CPE INEN 5 Parte 1:2001, Código ecuatoriano de la construcción. Requisitos generales de diseño. Instituto Nacional Ecuatoriano de Normalización, Primera edición, Ecuador, Load and resistence factor design especification for structural stell buildings (LRFD). American Institute of Steel Construction (AISC) UNIFORM BUILDING CODE (UBC-97), Structural design requirements. Segunda edición, Hesse Aire comprimido, fuente de energía, preparación y distribución. FESTO NOMENCLATURA