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Energía Mecánica Innovación y Futuro, IV Edición 2015, No.2 (13)
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Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (2/13)
RESUMEN
El trabajo plantea una metodología aplicable
al diseño, selección de elementos mecánicos y
construcción, de una estructura metálica para un
sistema elevador industrial.
Se utiliza el diseño asistido por computadora en
las siguientes etapas: generación de la geometría
de la estructura mediante el software AutoCAD
Structural Detailing; Análisis y selección de
perles a través del paquete Risa Technologies
y el Análisis por elementos nitos empleando el
software ANSYS INC., que permite la vericación
de la resistencia a vibraciones mecánicas así como
pandeo.
Se obtienen conclusiones de aporte ingenieril
para generar mejoras en los procesos de diseño y
construcción de ascensores industriales.
Palabras clave: Elevador, cerámica, CAD,
estructura, ascensor, CAE.
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA METÁLICA DE SOPORTE
PARA UN SISTEMA INDUSTRIAL ELEVADOR DE CARGA
METHODOLOGY FOR THE DESIGN OF METAL SUPPORT STRUCTURE FOR AN
INDUSTRIAL SYSTEM FORKLIFT
1
Félix Javier Manjarrés Arias ,
2
Luis Francisco Bustamante Sarabia
1
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, Quijano y Ordoñez y Marques de Maenza s/n.
E-mails:
1
fxmanjarres@espe.edu.ec ,
2
luisbustamante1407@gmail.com
ABSTRACT
The work presents a methodology applicable
to the design, selection of mechanical elements
and construction, of a metallic structure for an
industrial lift system.
Computer assisted design in the following steps
is used: generating the geometry of the structure
by Structural Detailing AutoCAD software;
Analysis and selection of proles through the pack
and Risa Technologies Finite element analysis
using ANSYS software INC., Which allows the
verication of resistance to mechanical vibration
and buckling.
Conclusions obtained engineering input to
generate improvements in the processes of design
and construction of industrial lifts.
Keywords: Elevator, ceramics, CAD, structure,
lift, CAE.
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1. INTRODUCCIÓN
El método propuesto, se basa en el despliegue
de la función de calidad QFD (quality function
deployment) que es un método globalizado,
cuyo objetivo principal es asegurar que en la
denición de la función de un producto o servicio
se consideren las necesidades y requerimientos
de los usuarios (o, la voz del usuario), a la vez es
una herramienta para la planicación de la calidad
durante el ciclo de vida de un producto. Consiste
en un proceso estructurado que permite traducir
los requerimientos y deseos de los usuarios en
requerimientos técnicos de ingeniería en cada fase
del diseño y de la fabricación.
El método parte de las necesidades y requerimientos
del cliente, las mismas que son transformadas
en características técnicas para posteriormente
seleccionar y otorgar la mejor solución al problema.
Se ha identicado la forma de mejorar la eciencia
en la producción al implementar un sistema
elevador de carga, pues de esta manera se reduce
el tiempo empleado para trasportar los productos
a través de las escaleras y; por otro lado, se puede
reemplazar el número de obreros destinados a un
trabajo especíco.
Se establece eliminar el exceso de tiempo perdido
para un proceso, en el cual está involucrado:
levantar cargas externas por parte de un trabajador y
posteriormente transportar hacia pisos de diferente
altura por motivos de logística, lo cual genera
bajas en la productividad empresarial e igual sitúa
en riesgo la seguridad laboral del obrero; incluso
da origen a problemas a largo plazo por lesiones
laborales permanentes que pueden causarse por la
errónea manipulación de pesos.
En la gura 2 se hace énfasis en la herramienta
de la casa de la calidad, en la que se analiza los
requerimientos de los clientes o “voz del usuario”
y las características técnicas o “voz del ingeniero”.
Se determina las especicaciones técnicas y se
procede a realizar el análisis funcional. [2] El
análisis funcional de un producto o sistema y la
elaboración de la estructura funcional es un primer
paso para establecer su estructura modular (la
mayor parte de diseñadores realizan estos procesos
sin formalizarlos), a partir de combinar las diversas
funciones en módulos, de forma que se alcancen
los siguientes dos objetivos prioritarios: Agrupar
las funciones en módulos, establecer interfaces
adecuadas entre módulos.
Mediante el análisis funcional, se establece
la función primaria y la secundaria, para
posteriormente y mediante el método de criterios
ponderados establecer y seleccionar la mejor
solución; en el presente caso para la geometría
de diseño de la estructura metálica y el sistema
elevador de carga.
Se establece la solución para la geometría del
diseño, se procede a la selección de los materiales,
para lo cual se realizan los cálculos de diseño
mecánico, dando así a conocer las propiedades
físicas que se debe cumplir en la adquisición de los
Figura 1. Herramienta de la casa de la calidad
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elementos. Estos cálculos son vericados mediante
la asistencia del software RISA Technologies
versión académica. Posterior se realiza el dibujo
tridimensional de la estructura con ayuda del
software Autocad Structural Detailing en su
versión académica y nalmente la simulación por
el método de elementos nito, con el software
ANSYS Inc. versión académica.
En la simulación por elementos nitos se
determina que el factor de seguridad y el factor de
vibración mecánica cumplen con el requerimiento
de seguridad y de diseño.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Se inicia el proceso de diseño de la estructura
metálica, referenciándose en los resultados
obtenidos mediante la herramienta casa de la
calidad, en la Tabla 1, se detallan los requerimientos
(voz del usuario) y la Tabla 2 los requerimientos
técnicos (voz del ingeniero), mostrados de mayor
a menor importancia.
Tabla 1. Voz del usuario
Requerimiento Importancia
Que funcione bien 5
Que sea barato 4
Que sea fuerte 3
Que sea adaptable al edicio 2
Que sea bonito 1
Tabla 2. Voz del ingeniero
Requerimiento Importancia
Fiable y Funcional 5
Antisísmico 5
Bajo costo 4
Resistente 3
Ergonómico 2
Estético 1
Se ha facilitado el trabajo dividiendo el sistema
en tres módulos: en el primero se calcula los
parámetros de ingeniería para la estructura
metálica, en el segundo se analiza el mecanismo
de ascenso, descenso del sistema elevador y en el
tercero se diseña el control eléctrico.
En la Tabla 3, 4 y 5, se presentan los resultados de
los requerimientos técnicos de cada módulo.
Tabla 3. Requerimientos de diseño de la estructura metálica
Requerimiento Detalle
Altura 11 metros
Carga útil máxima 29,4 kN
Carga útil de
trabajo
14,7 kN
Resistencia
Esfuerzos axiales y esfuerzos de
compresión
Seguridad Arrostramientos Chevron en V
Durabilidad
Límite de uencia mínima 250 MPa,
límite de rotura 410 MPa
Mantenimiento Revisión cada 6 meses
Calidad ASTM A 36 - INEN
Tabla 4. Requerimientos técnicos del mecanismo de ascenso y
descenso
Requerimiento Detalle
Capacidad de
carga
Soportar 9,8 kN
Costo
Disminuir hasta 50% al aplicar un
contrapeso
Velocidad 0,7 m/s
Seguridad Factor de seguridad 2
Potencia Motorreductor 5 Hp
Soportes Rodamientos cilíndricos
Vida útil Mayor a 60000 ciclos de trabajo
Sujeción
Cables de acero, grilletes, guarda-
cabos
Tabla 5. Requerimientos técnicos control eléctrico
Requerimiento Detalle
Capacidad de
carga
Soportar 9,8 kN
Costo
Disminuir hasta 50% al aplicar un
contrapeso
Velocidad 0,7 m/s
Seguridad Factor de seguridad 2
Potencia Motorreductor 5 Hp
Al conocer los requerimientos técnicos del sistema,
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se presenta una propuesta de metodología para el
diseño de un sistema ascensor industrial:
- Realizar la construcción de dos prismas
rectangulares, un primario para el recorrido de
la cabina y un secundario para el recorrido del
contrapeso.
- Implementar un sistema de cable - polea de
arrastre, lo cual reemplazará el uso de un
tambor de bobinado de cable.
- Diseñar una geometría capaz de soportar la
carga de trabajo (carga viva), cargas muertas
así como movimientos sísmicos.
Para el mecanismo de ascenso y descenso:
- Seleccionar un motorreductor para mejorar la
curva de eciencia de velocidad versus torque.
- Calcular las dimensiones adecuadas del cable
de acero para soportar la carga de trabajo
requerida.
- Escoger los rodamientos adecuados para todos
los tipos de cargas generadas por el elevador.
- Reducir el valor de la potencia de consumo en
el motor mediante el uso de un contrapeso.
Para el control eléctrico:
- Reemplazar el uso de un variador de frecuencia
por la caja reductora de velocidad.
- Implementar la instalación de sensores y
botones que permitan la adecuada maniobra
del sistema.
Figura 2. Propuesta de solución para el sistema elevador
Una vez establecidos los parámetros de ingeniería
que se busca como objetivos de diseño; se procede
a generar la geometría propuesta como solución,
la gura 5 muestra la vista de planta, en la que se
establece el área de trabajo junto con la asignación
de perles recomendados para columnas.
Para determinar el perl que se va a emplear en
la construcción de la estructura se realiza los
siguientes cálculos mostrados desde la ecuación 1:
CCC
CK
gK
g
CKg
totalvivamuerta
total
total
=+
=+
=
190 4500
6400
[]
[]
[]
PPCg
PKg
m
s
totaltotal
total
=
=
.
[].,6400 98
2
Se ha tomado en cuenta que existen tres columnas
primarias y tres columnas secundarias, para el
análisis se considera el peso total distribuido entre
las columnas primarias, cada una con 12 metros
de largo.
P
P
Pk
N
distribuida
total
columnas primarias
distribuida
=
=
3
20 91,[ ]]
Figura 3. Área de trabajo para cimentación del sistema ascensor
Manjarrés F., Bustamante F. / METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA METÁLICA DE SOPORTE PARA UN SISTEMA INDUSTRIAL ELEVADOR DE CARGA
Ec. 1
Ec. 2
Ec. 3
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Cálculo de la longitud efectiva
[3] Se realiza el cálculo de la longitud efectiva, con
toma el valor de la constante K=0,65 (relación de
esbeltez) recomendada para columnas empotradas
en ambos extremos, y se aplica el siguiente cálculo:
LKL
Lm
Lm
e
e
e
=
=
=
.
,.
[]
,[ ]
06512
78
Cálculo del radio de giro de la sección transversal
[4] Para aplicar la ecuación del radio de giro se
necesita obtener el momento de inercia de la
sección transversal, tanto para la columna primaria
como para la columna secundaria.
Sección transversal del tubo estructural
Sección transversal del perl HEB:
I
BH bh
yy
=
−
33
12
Se selecciona un tubo cuadrado para la estructura,
se requiere determinar la sección transversal, el
área y el radio de giro.
Sección transversal del tubo cuadrado 100 x 100
x 4 [mm]:
I
Hh
yy
=
−
44
12
Figura 4. Sección transversal de perles
4
4
44 44
44
4
44
4
12
100 [ ] 92 [ ]
12
1[ ]
2363392,00[ ].
10 [ ]
236,3392[ ]
yy
yy
yy
yy
Hh
I
mm mm
I
cm
I mm
mm
I cm
−
=
−
=
=
=
Área del tubo cuadrado 100 x 100 x 4 [mm]:
22
22 22
22
2
22
2
100 [ ] 92 [ ]
1[ ]
1536[ ].
10 [ ]
15,36[ ]
AB b
A mm mm
cm
A mm
mm
A cm
= −
= −
=
=
Radio de giro del tubo cuadrado 100 x 100 x 4
[mm]:
4
4
236,339[ ]
15,36[ ]
3,922[ ]
I
r
A
cm
r
cm
r cm
=
=
=
Se determina la sección transversal, el área y
el radio de giro para el perl estructural HEB
seleccionado:
Sección transversal del perl estructural HEB:
33
33 33
44
4
44
4
12
100[ ] 100 [ ] 94[ ] 80 [ ]
12
1[ ]
4,3227[ ]
10 [ ]
432,27[ ]
BH bh
I
mm mm mm mm
I
cm
I mm
mm
I cm
−
=
⋅ −⋅
=
= ⋅
=
Manjarrés F., Bustamante F. / METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA METÁLICA DE SOPORTE PARA UN SISTEMA INDUSTRIAL ELEVADOR DE CARGA
Ec. 4
Ec. 5
Ec. 6
Ec. 5
Ec. 8
Ec. 9
Ec. 6
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Área del perl estructural HEB:
22
2
22
2
100[ ] 100[ ] 94[ ] 80[ ]
1[ ]
2480[ ]
10 [ ]
24,80[ ]
A mm mm mm mm
cm
A mm
mm
A cm
= ⋅
=
Radio de giro del perl estructural HEB:
4
2
432,27[ ]
24,80[ ]
4,1749[ ]
I
r
A
cm
r
cm
r cm
=
=
=
Cálculo de la carga crítica
[5] Las propiedades mecánicas del acero ASTM
A500 son: módulo de elasticidad 207 [GPa],
resistencia a la uencia 228 [Mpa].
Carga crítica para el tubo estructural cuadrado 100
x 100 x4 [mm]:
( )
2
2
2 64
22
207[ ] 2,3634 10 [ ]
7,8 [ ]
79,363[ ]
cr
cr
cr
EI
P
Le
GPa m
P
m
P kN
π
π
−
⋅⋅
=
⋅ ⋅×
=
=
Carga estructural para el perl HEB:
( )
2
2
2 64
22
207[ ] 4,3227 10 [ ]
7,8 [ ]
145,1563[ ]
cr
cr
cr
EI
P
Le
GPa m
P
m
P kN
π
π
−
⋅⋅
=
⋅ ⋅×
=
=
Cálculo de la carga admisible
Se aplica la ecuación siguiente:
Carga admisible para tubo estructural cuadrado de
100 x 100 x4 [mm]:
79,363[ ]
2
39,6815[ ]
cr
a
a
a
P
P
fs
kN
P
P kN
=
=
=
Carga admisible para perl estructural HEB:
145,1563[ ]
2
72,5782[ ]
cr
a
a
a
P
P
fs
kN
P
P kN
=
=
=
El valor de la carga admisible se considera como
carga crítica en la columna, con este valor se
calcula el esfuerzo normal:
Esfuerzo normal para el tubo estructural cuadrado
de 100 x 100 x4 [mm]:
32
39,6815[ ]
1,536 10 [ ]
25,8343[ ]
a
P
A
kN
m
MPa
σ
σ
σ
−
=
=
×
=
Esfuerzo normal para el perl HEB:
32
72,5782[ ]
2,48 10 [ ]
29,2654[ ]
a
P
A
kN
m
MPa
σ
σ
σ
−
=
=
×
=
Comparación del peso distribuido con la carga
admisible de la columna
El peso distribuido se considera también como la
carga real aplicada, por lo cual, si el valor del peso
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Ec. 10
Ec. 9
Ec. 11
Ec. 11
Ec. 12
Ec. 13
Ec. 13
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distribuido es menor al valor de la carga admisible,
la columna no corre riesgo de pandeo.
Tubo estructural cuadrado 100x100x4
20,91[ ] 39,6815[ ]
distribuido admisible
PP
kN kN
<
<
Perfil estructural HEB 100
20,91[ ] 72,5782[ ]
distribuido admisible
PP
kN kN
<
<
Para los dos casos, la columna primaria y la columna
secundaria cumplen con la resistencia necesaria
para el soporte del peso admisible, descartando la
posibilidad de que se pueda pandear el perl.
Se selecciona la dimensión de los demás perles,
desarrollando un proceso similar, la tabla 6
contiene la selección realizada para los distintos
perles que van a ser empleados en la construcción
de la cabina.
Figura 5. Solución a la geometría de la
estructura
Mediante asistencia computacional, se verican
los perles seleccionados, que cumplan con el
factor de diseño requerido de 2 a 3, con el software
Risa Technology 3D, versión académica, se
comprueba la relación de esbeltez, con los valores
de la referencia [6] establecidos en la tabla 6.
Tabla 6. Valor máximo para relación de esbeltez
Miembros a compresión KL/r<200
Miembros a tensión KL/r<240
Arrostramientos y miembros
secundarios
KL/r<300
Que sea fuerte 3
Figura 6. Geometría previa de la estructura,
denida con la asistencia del software RISA
3D.
3. EXPERIMENTACIÓN Y
RESULTADOS
Elaborada la geometría de la estructura, se procede
a realizar la experimentación con los perles
disponibles en el mercado, para lo cual en la tabla
7 se establece los valores que se obtienen con la
simulación en el software.
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Ec. 14
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Tabla 7. Resultados de las iteraciones efectuadas para determinar el perl de
sección adecuado.
Perl Relación de esbeltez
Columna principal
HEB 80 198,98
HEB 100 78,915
HEB 140 55,345
Viga principal
HEB 80 >200
HEB 100 73,785
HEB 140 32,345
Columna secundaria
HEB 80 178,456
HEB 100 51,778
HEB 140 32,657
Arrostramientos
HEB 80 >200
HEB 100 153,816
HEB 140 102,456
[7] Con los valores obtenidos del análisis y de las
simulaciones, se selecciona el perl HEB 100 para
vigas principales, el tubo estructural cuadrado 100
x 100 x 4 [mm]para las vigas secundarias y un
perl angular 75 X 75 X 5 [mm], cuyos valores
de relación de esbeltez se muestran en la tabla 8.
Tabla 8. Valores de los perles seleccionados.
Posición Resultado (KL/r)
Viga principal 73,785
Columna secundaria 51,778
Columna principal 78,915
Arrostramientos 153,816
Con la asistencia de ANSYS versión 16, realiza el
análisis por el método de elementos nitos, para
determinar el factor de seguridad estático y el
factor dinámico por vibraciones mecánicas, para
garantizar seguridad en la estructura.
Figura 7. Deformación total al aplicar una frecuencia máxima
referencial de vibración de 20 Hz. (recomendado para este tipo
de estructuras).
Se aplican fuerzas puntuales a cada viga principal,
las que respectivamente representan: la carga de
trabajo, el peso de la cabina, el peso del grupo
tractor; se obtiene el valor de 2,03 para el factor de
seguridad, se aprueba el diseño.
Figura 8. Factor de seguridad general de la estructura.
Se verica la deformación por vibración mecánica
obteniéndose un valor de 0,0032 metros como
máximo valor.
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Figura 9. Deformación total al aplicar una frecuencia de
vibración de 20 Hz.
Se desarrolla un proceso de diseño y vericación
similar para la estructura de la cabina del ascensor.
Figura 10. Geometría de la cabina del ascensor,
elaborada en Risa 3D.
Figura 11. Resultado del factor de diseño en la cabina del ascensor.
Se realiza el análisis estructural en el software
Ansys para determinar el factor de seguridad de
la cabina.
La gura 11 indica el resultado obtenido para el
factor de seguridad de la cabina, siendo 2,6 un
valor aceptable en ingeniería estructural, para
garantizar la seguridad de la geometría diseñada.
.
Tabla 10. Resultados de las simulaciones efectuadas en el proceso de
diseño.
Tubo estructural cuadrado
50 x 50 x 3
KL /r<200
Posición Resultado (KL/r)
Vigas 53,057
Columnas 115,213
Arrostramientos 80,365
Los elementos de máquina requeridos para el
trabajo del sistema dinámico del ascensor se
seleccionaron en función a las cargas determinadas
según el cálculo estático , tomando en cuenta la
voz del ingeniero.
En el caso del diseño del control eléctrico se
considera las condiciones de funcionamiento
del sistema, se realiza el cálculo y la selección
de elementos eléctricos tomando en cuenta
principalmente sus costos y disponibilidad en el
mercado ecuatoriano.
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que la asistencia computacional contribuye
notablemente a la generación automatizada de
la documentación técnica requerida.
• Se desarrollo una metodología exitosa, que
realizó sinergia entre el diseño computacional,
el diseño analítico y la calidad total.
REFERENCIAS
[1] Carles Riba y Romeva, “Diseño Concurrente”.
Barcelona: Departamento de Ingeniería
Mecánica UPC.
[2] Tassinari Robert, “El producto adecuado”.
Barcelona: Marcombo Boixareu S.A.
[3] McCormac Jack, “Diseño de Estructuras de
Acero”. México: Alfaomega Grupo Editor.
[4] Marks, “Manual del Ingeniero Mecánico”.
México: McGraw Hill.
[5] American Society for Testing and Materials.
[6] R. C. Hibbeler, “Mecánica de materiales”.
México: Pearson Educación.
[7] IPAC, “Catalogo de Perles Disponibles en el
Mercado”. Ecuador: Duferco Group.
BIOGRAFÍA
1 Manjarrés Arias Félix Javier,
nació en Guayaquil – Ecuador,
es Tecnólogo en Mecánica de
Aviación, Ingeniero Automotriz,
Ingeniero Industrial, Máster en
Gestión de Empresas mención
PYMES, Egresado en la Escuela
Politécnica Nacional del
Ecuador, en el programa de Diseño, Producción y
Automatización Industrial. Docente tiempo parcial
en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE en
la ciudad de Latacunga desde el 2010. Consultor
de proyectos en el área de Ingeniería Industrial y
Mecánica Email: javier.manjarres@gmail.com.
Figura 12. Objetivo de diseño nalizado
4. CONCLUSIONES
• El despliegue de la función de la calidad permite
interpretar ingenierilmente las necesidades del
cliente y revalidarlas con las posibilidades
técnicas del ingeniero,
• Generar un método que convine la creatividad
del ingeniero, la asistencia computacional y el
análisis matemático, resulta idóneo para esta
época en la que la productividad es lo más
deseado en las empresas de diseño.
• En Ecuador no se cuenta con materiales de
ingeniería estructural que permita efectuar un
cálculo iterativo más amplio para mejorar el
deseo del cliente sobre todo en lo que a costos
y durabilidad se reere.
• La asistencia computacional no tiene la última
palabra en el diseño estructural, se deberá
tomar muy en cuenta el criterio ingenieril, así
también los cálculos manuales.
• Del diseño dependen los planos de taller
y de detalle que representan la posibilidad
de materializar el diseño, de tal manera
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2 Bustamante Sarabia
Luis Francisco, nació en
Latacunga – Ecuador,
Egresado en la Escuela
Politécnica del Ejercito Sede
Latacunga. Brinda servicios
de asesoría y realización de
proyectos técnicos. E-mail:
luisbustamante1407@gmail.com
Registro de publicación:
Fecha de recepción 25 de agosto 2015
Fecha aceptación 18 noviembre 2015
Manjarrés F., Bustamante F. / METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA METÁLICA DE SOPORTE PARA UN SISTEMA INDUSTRIAL ELEVADOR DE CARGA