analisis estructural de un tanque metalico para el

ANALISIS ESTRUCTURAL DE UN TANQUE METALICO PARA EL TRANSPORTE DE ABONOS LIQUIDOS, EN LOS INGENIOS MANUELITA E

INCAUCA

MAURICIO ZORRILLA BOLAÑOS

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA SANTIAGO DE CALI

2008

ANALISIS ESTRUCTURAL DE UN TANQUE METALICO PARA EL TRANSPORTE DE ABONOS LIQUIDOS, EN LOS INGENIOS MANUELITA E

INCAUCA

MAURICIO ZORRILLA BOLAÑOS

Pasantía para optar el titulo de Ingeniero Mecánico

Director CRISTIAN DAVID CHAMORRO R.

Ingeniero mecánico

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍAS

DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2008

Nota de aceptación:

Trabajo aprobado por el comité de grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar el titulo de Ingeniero mecánico.

CRISTIAN DAVID CHAMORRO R. _____________________________ Director

Santiago de Cali 30 de Enero de 2008

AGRADECIMIENTOS

Para el desarrollo del análisis de esta pasantía es de real motivación hacer un reconocimiento especial por el apoyo y colaboración suministrada por el director de mi pasantía Cristian David Chamorro, quien aporto sus mayores esfuerzos y conocimientos para el alcance del objetivo. Gracias También al Ingeniero Jesús Orlando Ararat, Gerente de la Empresa Jesús Orlando Ararat y Cia Ltda. Quien brindo la máxima información sobre el diseño y elaboración, de las estructuras metálicas sobre chasis para tanques y al supervisor Fabio Antonio Angulo por toda su colaboración.

CONTENIDO

Pág.

GLOSARIO 9

RESUMEN 10

INTRODUCCION 11

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 12

2. JUSTIFICACION 13

3. OBJETIVO GENERAL 14

3.1 OBJETIVO ESPECIFICO 14

4. MARCO TEORICO 15

5. ANTECEDENTES 17

6. METODOLOGIA 18

7. ANALISIS 19

8. CONCLUSIONES 48

BIBLIOGRAFIA 49

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Propiedades de la canal 20




Tabla 5. Dimensiones del tanque metálico 40

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Estructura de la base del tanque 19

Figura 2. Marco externo 19

Figura 3. Dimensiones de la canal 20


Figura 5. Área de piso 22

Figura 6. Estructura de travesaños 23


Figura 8. Carga distribuida en los travesaños 26

Figura 9. Travesaño exterior de 5 m 27


Figura 11. Grafico de cortante y momento 31

Figura 12. Eje trasero 32

Figura 13. Grafico de cortante y momento 32

Figura 14. Elipse extendida 34

Figura 15. Área de elipse 34

Figura 16. Perno con sus juntas 38

Figura 17. Tanque metálico 41

Figura 18. Tanque de frente 41

Figura 19. Travesaños 42

Figura 20. Eje trasero 42

Figura 21. Cilindro y travesaños 43

Figura 22. Desplazamiento longitudinal 43

Figura 23. Diagrama de esfuerzos Von Mises 44

Figura 24. Diagrama de factor de seguridad 45

Figura 25. Malla tanque 46

Figura 26. Vista frontal del mallado 47

Figura 27. Dimensiones del tanque 47

GLOSARIO

BRIDA: accesorio para acoplamiento de tuberías, que facilita el armado y el

desamado de las mismas

CARGA MUERTA: la fuerza debida al peso propios de los elementos a considerar.

CARGA VIVA: la fuerza ejercida por cuerpos externos, tales como: la vinaza.

CORROSION: desgaste no deseado, originado por la reacción química entre el

fluido contenido y/o contenido y el material de construcción del equipo en contacto

con el mismo.

PRESION ATMOSFERICA: es producida por el peso del aire y su valor depende

de la altura del sitio indicado sobre el nivel del mar.

TANQUE: deposito diseñado para depositar o procesar fluidos, generalmente a

presión atmosférica o presión internas relativamente bajas.

RESUMEN

En este proyecto se aborda el problema de la empresa metalmecánica donde diseñan y fabrican tanques metálicos sobre chasis, para el transporte de abonos líquidos, para los ingenios manuelita e incauca, donde se hace el diseño y se realizan los cálculos para tener encuenta y empezar a construirlos. El tanque, los ejes y el chasis se construyen sobredimensionados, ya que la experiencia ha mostrado que para maquinaria agrícola hay que construirlos sobredimensionados, de lo contrario estos tanques fallarían debido a los picos que generan los subsuelos, como las piedras y terrones. En este trabajo se plantea un análisis de su estructura en detalle, hallando los pesos de cada travesaño interior e exterior y así encontrar la capacidad total donde se tiene encuenta la carga viva, la sobrecarga, la carga muerta y el impacto. También se realizan el cálculos de cada travesaño tanto exteriores como interiores encontrando a cada uno su máximo momento, esfuerzos admisibles factores de seguridad y analizándolos por deflexión, por cortante, obteniendo con estos análisis las canales indicadas para su estructura. Después se analiza el eje trasero encontrando su diámetro critico y sus esfuerzos y por ultimo se realiza una simulación computarizada, con un software de elementos finitos en este caso algor, con este paquete se analiza el tanque donde la simulación permite mostrar los desplazamientos longitudinales esfuerzos y factores de seguridad. Como conclusión final del análisis estructural del tanque metálico indica que los valores del diseño son óptimos y los materiales para la construcción son los adecuados.

11

INTRODUCCIÓN El Valle del Cauca es una región agrícola e Industrial, de grandes cultivos de caña de azúcar, donde los ingenios utilizan tanques metálicos para el transporte de abonos líquidos y utilizarlos en sus cultivos. Estas estructuras de tanques metálicos, se les ha realizado un estudio de diseño, para determinar algunas fallas que pueden tener, es de mucha importancia hacer un análisis detallado con un software para análisis de elementos finitos, ya que con esta herramienta podemos visualizar y detectar sus posibles fallas, este es un método numérico general para la aproximación de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales utilizado en diversos problemas de ingeniería donde los cálculos se realizan sobre una malla, típicamente el método de los elementos finitos se programa computacionalmente para calcular el campo de desplazamientos y posteriormente, a través de relaciones cinemáticas y constitutivas las deformaciones y tensiones respectivamente, cuando se trata de un problema de mecánica de sólidos deformables. Estas estructuras están sometidas a distintos tipos de esfuerzos, ya sea esfuerzos normales, donde hay muchos factores que influyen para que dichas estructuras de tanques fallen, como la calidad del material, desgaste por uso normal, procesos de fabricación, donde se debe tener encuenta en estos tanques la corrosión, por que se manejan abonos altamente corrosivos y sus materiales deben ser en aceros inoxidables, impactos son otro factor de falla, ya que se presentan golpes muy fuertes cuando se transportan los tanques debido al terreno fuerte “piedras”, etc. que afectan la vida útil de la estructura metálica de los tanque.

12

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La empresa metalmecánica Jesús Orlando Ararat y Cia Ltda. Fabrican tanques metálicos con chasis, para el transporte de abonos líquidos a presión atmosférica, para abonos como la vinasa, de los ingenios Manuelita e Incauca, donde se ha realizado el diseño de estas estructuras donde arrojan unos resultados, pero como estos tanques son para uso agrícola, tienen que ser diseñados, por que si se construyen con el diseño previamente realizado estos tanques y estructuras, presentaría fallas.

13

2. JUSTIFICACIÓN

En el diseño de estructuras metálicas para tanques, no se tiene mucha información, ya que los fabricantes son muy prudentes con sus procesos y no comparten mucha información. En la actualidad existen diversos métodos que permiten hacer el análisis de manera efectiva, muy aproximada, con gran detalle de varias estructuras y elementos que se deseen comprobar sus estimaciones de diseño, para diversas condiciones de trabajo. Entre esos métodos se encuentra al análisis asistido por computador por programas CAE y mediante elementos finitos MEF, los cuales son unas herramientas muy efectivas que permiten simular los problemas de ingeniería y desarrollar un estudio óptimo de estas.

14

3. OBJETIVO GENERAL Verificar el diseño de los tanques para transporte de abonos líquidos por medio de un análisis cuantitativo y cualitativo y realizar las debidas correcciones, y de esta forma garantizar la selección más conveniente de los materiales y procesos que son usados para la fabricación de tanques metálicos.

3.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS

* Verificar los materiales que se están usando en la situación actual. * Realizar un modelado que permita simular el comportamiento del tanque y de los elementos de la estructura metálica. * Utilizar un software de elementos finitos para realizar una validación de los resultados teóricos obtenidos. * Realizar un análisis cualitativo y cuantitativo de la situación a Analizar.

15

4. MARCO TEORICO

Los conceptos fundamentales definiciones y ecuaciones usadas en el análisis de tensiones y deformaciones se tratan específicamente como teoría de la elasticidad. Estos fundamentos son usados para resolver problemas de tensiones por métodos clásicos o analíticos y también por el método de elementos finitos. La empresa fabrica estructuras con láminas metálicas de acero inoxidable, utilizando corte y doblez de láminas metálicas con pantógrafo electrónico y corte con plasma.

Momento máximo con carga distribuida 12

L*WM

2

max =

Momento máximo de Deflexión I*E

L*P*eM

3

max =

Momento máximo de dos cargas puntuales 9

L*P*1M max =

Deflexión I*E*384

L*w*5 4

r =δ

Deflexión real I*e

L*P*008.0D

3

r =

Deflexión permitida 360

L=δ

Deflexión máxima I*E

L*P*e 3

max =∆

Inercia 64

d*I

4π

=

Esfuerzo es la resistencia interna que ofrece un área unitaria del material del que esta hecho un miembro para una carga aplicada externa γ =F/A Modulo de elasticidad, puede obtenerse una medida de la rigidez del material calculando el coeficiente del esfuerzo normal en un elemento y la deformación correspondiente en el mismo. Este relación se conoce como modulo de elasticidad E. El esfuerzo combinado se refiere a los casos en que dos o más tipos de esfuerzos actúan en un punto dado al mismo tiempo. Los esfuerzos componentes pueden ser normales es decir de tensión o compresión o esfuerzos cortantes. Acero, se refiere a las alecciones de hierro y carbono y en muchos casos, otros elementos

16

El acero inoxidable también es un tipo de acero resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales, que contiene posee gran afinidad por el oxigeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro. Acero estructural es el material estructural más usado para construcción de estructuras en el mundo. Es fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos de carbono menores del 1 % y otras pequeñas cantidades de minerales como manganeso, para mejorar su resistencia, y fósforo, azufre, sílice y vanadio para mejorar su soldabilidad y resistencia a la intemperie. Es un material usado para la construcción de estructuras, de gran resistencia, producido a partir de materiales muy abundantes en la naturaleza. Entre sus ventajas está la gran resistencia a tensión y compresión y el costo razonable, se producen en forma de laminas planchas barras, tubos y perfiles. El método de elementos finitos es un método de aproximación de problemas continuos, de tal forma que: El continuo se divide en un número finito de partes, “Elementos”, cuyo comportamiento se especifica mediante un número finito de parámetros asociados a ciertos puntos característicos denominados “Nodos”. Estos nodos son los puntos de unión de cada elemento con sus adyacentes. La solución del sistema completo sigue las reglas de los problemas discretos. El sistema completo se forma por ensamblaje de los elementos.

17

5. ANTECEDENTES En la región patagónica se encuentran tanques metálicos para almacenamiento de petróleo o sus derivados, que deben resistir fuertes vientos estacionales. Estas estructuras presentan una condición crítica ante problemas de inestabilidad del equilibrio bajo la acción del viento. Donde se realiza un análisis computacional de un tanque, ubicado en la zona norte de la patagonia, donde fallo en su construcción. En el Valle del cauca los grandes ingenios utilizan tanques metálicos para el transporte de sus abonos líquidos y las empresas que fabrican los tanques metálicos, no tienen un estudio detallado en un CAD de sus estructuras y de sus posibles fallas, ya que siempre se construyen sobredimensionados.

18

6. METODOLOGIA Hacer una revisión por medio de diálogos con los operarios de la empresa para verificar procesos de fabricación de las estructuras de los tanques y que los materiales utilizados sean los correctos. Revisar la información de los planos de la empresa y analizar un tanque metálico, que esta sometido a una presión atmosférica a través de un programa computacional en 3D y ser transportado a un CAD y así poder realizar un análisis detallado.

19

7. ANALISIS Figura 1. Estructura de la base del tanque

1. dos canales de 5 m 2. dos canales de 1.72 m 3. dos canales de 1.72 m 4. dos Canal 1.85m 5. tres canales de 1.4 m Figura 2. Marco exterior

Primero se analiza el marco exterior, ya que esta es la base del tanque, que va a soportar su peso. Toda la estructura, esta elaborada en acero estructural A36, en canales. Por efecto de cálculo se toma una canal C8x11.5 ya que esta canal tiene características similares a las reales y así poder llegar a los cálculos de un diseño mejorado y obtener tipos de canales comerciales.

20

m

Kg

ft

lbpeso

xC

11.17672.0

1*5.11

5.118

==

Figura 3. Dimensiones de la canal

Tabla 1. Propiedades de la canal

Designación Altura (d) in

Espesor WT in

Profundidad ala fb

in

Espesor ala ft

in C8x11.5 8.00 0.220 2.260 0.390

ilNumeroPerfciaDisPeso *tan* (1)

Kgmm

KgPerfiles 1.1712*5*11.17 =

Peso de dos perfiles, estos son los travesaños exteriores, con una longitud de 5m

Kgmm

KgPerfil 9.231*4.1*11.17 =

Peso de un perfil, este es el travesaño trasero, con una longitud de 1.4m Se realiza la sumatoria de los pesos para después hallar la carga muerta

g1959.231.171 KKgKg =+ Luego se calcula en peso del cilindro, con los datos tomados de la estructura y se aplica la formula

21

V

m=ρ Donde hallo el volumen y la densidad se tiene por medio de tablas,

entonces se reemplaza y se encuentra la masa

hRRV

mh

R

R

Int

Ext

*)(*

"11.554.1

"75.4"5.9

"25.5"5.10

21

22

1

2

−=

→=

=→=Φ

=→=Φ

π

Kgm

Kgmm

Kgm

V

mm

Kg

minV

Acero

10998

1099841.1*7800

7800

41.166.86511.55*))75.4()25.5((*

33

3

3322

=

==

=

=

→=−=

ρ

ρ

π

Después se analiza los travesaños interiores, de la estructura que esta elaborada con acero estructural A36 en canales, entonces por análisis se toma una canal similar a la original, que es la C8x11.5 Figura 4. Dimensiones de la canal

22

Tabla 2. Propiedades de la canal Designación Altura (d)

in Espesor WT

in Profundidad ala fb

in

Espesor ala ft

in C8x11.5 8.00 0.220 2.260 0.390

m

Kg

ft

lbpeso 11.17

672.0

1*5.11 ==

Kgmm

KgPerfiles 85.582*72.1*11.17 = Peso de dos perfiles

Kgmm

KgPerfiles 64.1264*85.1*11.17 = Peso de cuatro perfiles

Kgmm

KgPerfiles 9.472*4.1*11.17 = Peso de dos perfiles

Se realiza la sumatoria de los pesos para después hallar la carga muerta

KgKgKgKg 36.2339.4764.12685.58 =++ Teniendo el peso de los travesaños interiores como exteriores y el peso del cilindro, se halla la carga muerta con la sumatoria de todos los pesos, para después hallar la capacidad total Carga muerta

KgKgKg 36.1142636.23311193 =+ Después se encuentra el área del piso, donde va instalado en tanque metálico Figura 5. Área Piso

Areaba =* (2)

274.1*5 mmm = Con los datos obtenidos en la empresa se realiza el cálculo para hallar la capacidad total, que puede soportar la estructura.

23

Capacidad del tanque =9000 Litros = 39m

Liquido a Transportar Vinaza3

3.1cm

g=→ ρ

VinazaKgm

mmm

KgV

m

m

cm

g

Kg

cm

g

→=

=

=

11700

9*1300

1

10*

1000

1*3.1

33

3

36

3

ρ

Capacidad total = Carga Viva + Sobrecarga + Impacto + Carga Muerta (3) Carga viva = masa vinaza Sobrecarga = 50% de la carga viva → 5850Kg Impacto = 25% de la carga viva → 2925Kg Capacidad total = KgKgKgKgKg 31901114262925585011700 =+++

2224557

7

31901arg

m

Kg

m

Kg

metro

aC ==

Ahora se realiza el Cálculo de cada Travesaño para encontrar su carga distribuida Figura 6. Estructura de travesaños

Carga de cada travesaño

⇒=m

Kgm

m

Kg72916.1*4557

2Carga distribuida

24

→672.0 Factor de conversión de ft

lba

m

Kg

ft

lb

m

Kg4899672.0*7291 =

Ahora se realiza el Calculo del Momento Máximo

12

* 2

max

LWM = (4)

Momento máximo que soporta un travesaño con carga distribuida.

inlbft

inftlb

ftlb

ftft

lb

M Max

*10321212

**05.8601

*05.860112

)59.4(*4899 2

=

==

Adm

MaxMS

σ= (5)

Modulo de sección

Adm

Fluencias σ

ση = (6)

Factor de seguridad

5

36.360002

=

−→=

s

Fluencia AAceroin

lb

η

σ

sη Como mínimo para cargas

s

FluenciaAdm η

σσ = (7)

Esfuerzo Admisible

2

2

72005

36000

in

lbin

lb

Adm ==σ

3

2

3.147200

*103212in

in

lbinlb

S ==

Se obtiene que el perfil adecuado y comercial sea cmxxC 1402010 Características:

25

Pesoft

lb20=

Área 288.5 in= 49.78 inJ X =

Se obtiene que el perfil adecuado y comercial sea cmxxC 1402010 Características:

Pesoft

lb20=

Área 288.5 in= 49.78 inJ X =

Figura 7. Dimensiones de la canal


in Espesor WT


in

Espesor ala ft

in C10x20 10.00 0.379 2.739 0.436

26

Entonces se realiza el Cálculo de esfuerzo Cortante Figura 8. Carga distribuida en los travesaños

Con la carga distribuida de los travesaños encontrada se multiplica por la distancia y se divide por el número de travesaños, para encontrar el cortante máximo.

lbV

lbKg

lbKg

Kgm

m

Kg

Max 11226

112262.2*5103

51032

4.1*7291

=

=

=

221000

in

lbFV = Esfuerzo Cortante admisible para acero A-36, hallado por tablas.

perfil

Max

A

V=τ (8)

221909

88.5

11226

in

lb

in

lb =

rabajoSF

Vs TE

F=η (9)

rabajoSFTEin

lb221000

5 =

==5

21000 2in

lb

TE rabajoSF

24200

in

lbTE rabajoSF =

27

Resiste ya que 19092in

lb< 4200

2in

lb

Ahora se realiza el Cálculo por Deflexión

360

L=δ (10)

Deflexión permitida en vigas

L = inm

inm 11.5537.39*4.1 =

L = longitud travesaño

→== inin

Per 15.0360

11.55δ Deflexión permitida

Cálculos de Deflexión debido a la carga

IE

LWR **384

**5 4

=δ (11)

0214.0

0214.09.78*)10*29(*384

)11.55(*25.408*5

25.40812

1*4899

6

4

=

==

==

R

R

in

lb

ft

inft

lbW

δ

δ

El travesaño no va a fallar por deflexión ya que PerR δδ ∠ Análisis de travesaño exterior Figura 9. Travesaño exterior de 5 m

Datos:

28

ftma

ftmL

46.5666.1

4.165

==

==

9

**1 LPM Max = (12)

inlbM

ft

inft

Kg

lbKg

M

Max

Max

*488.245

9

12*4.16*2.2*5103*1

=

=

5

36000 2in

lb

AE

FE

MS

Adm

dmes

luenciasfs

Adm

Max

=

=

=

σ

η

σ

27200

in

lbAdm =σ

30.347200

245488inS ==

Se obtiene en el análisis un perfil 9.3315xC Área: 296.9 in

Peso: ft

lb9.33

4315inI X =

29

Figura 10. Dimensión de la canal


in Espesor WT


in

Espesor ala ft

in C15x33.9 15.00 0.400 3.400 0.650

Ahora se analiza por esfuerzo cortante Carga total sistema = lblb perfiles 22452)2*11226( =

22

22

42002254

225496.9

22452

22452

in

lb

in

lb

in

lb

in

lb

A

V

lbV

perfil

Max

Max

⟨

==

=

=

τ

τ

Vemos que no falla por cortante

221000

in

lbFv = Esfuerzo admisible

30

2

2

4200

5

21000

in

lbTE

in

lb

TE

TE

F

rabajoes

rabajoes

rabajoes

vs

=

=

=η

Análisis por deflexión

→=360

Lδ Permitida

inin

inftmL

54.0360

8.196

8.1964.165

==

===

δ

Deflexión Real

IE

LPR *

**008.0

3

=δ (13)

42

6

3

315*)10*29(

)8.196(*11226*008.0

inin

lbinlb

R =δ

inR 07.0=δ

PerR δδ ∠ No falla por deflexión

31

Análisis de Viga exterior o travesaño (5m) Figura 11. Grafico de cortante y momento

En la figura 11 grafico de cortante y momento, se selecciona el punto donde se presenta el valor máximo de momento porque en ese punto se presenta el esfuerzo de flexión mas critico.

( )

( ) ( ) ( ) ( )

lbR

lbR

R

lbRR

RR

22452

6.35850

005.19605.1966.246247.1301122635.6511226

6.58302

06.24624112263

1

2

2

21

21

=

=

=+−−−

=+

=++−−

32

Análisis Esfuerzo y Resistencia “Eje Trasero” Figura 12. Eje trasero

Figura 13. Grafico de cortante y momento

33

( ) ( ) ( ) 029.6933.541122696.1411226

01122611226

2

21

=+−−

=+−−

R

RlblbR

29.69

58.60990896.1679402

+=R

lbR

lbR

11226

11226

1

2

=

=

16794096.14*11226 =

3

45000

82000

2

=

→=

=

N

Aceroin

lbS

PsiS

Y

U

2

2

17887

3

45000*557.0

*557.0

in

lb

in

lbN

SY

=

==

=

δ

δ

δ

2max *

*4

D

V

A

V

πδ ==

δπ *

*4 VD = (14)

17887*

11226*4

π=D

ininD2

113.1 ≈= Diámetro critico para el diseño

Análisis por Deflexión al eje trasero

34

64

4*

64

*

4

4

π

π

=

=

I

dI

456.12 inI =

IE

LPeMax *

** 3

=∆ (15)

4

6

56.12

10*30

29.69

008.0

11226

inI

PsiE

inL

e

lbP

=

=

===

inMax 079.056.12*10*30

29.69*11226*008.06

3

==∆

Análisis de pernos de sujeción del tanque

38000

m

Kg=ρ Acero inoxidable 304

Espesor = 3mm = 0.003m Figura 14. Elipse extendida

Figura 15. Área de la elipse

a = 1m b = 0.75m

35

3

2

99000

35.2

**

mLV

mA

baA

==

=

= π

mL

m

mL

ALV

Tanque 82.3

35.2

9

*

2

3

=

=

=

El perímetro de una elipse no puede determinarse de forma exacta mediante formulas elementales, sino que debe calcularse multiplicando cuatro veces su semieje mayor (a) por la integral elíptica de segunda especie.

)10*004867.0(63366.0

*48674.1 θSen

aP

+= (16)

a

baSen

5.022 )( +=θ (17)

mP

maP

37.2

)10*004867.0(63366.0

1*25.1*8674.1

=

+=

71.2*8000

75.2

003.0*82.3*37.2

3

=

=

=

=

mV

m

mV

mmmV

ρ

Kgm 21728=

KgaPesoLa 21728min =

36

=cv Vinaza aPesoLapactoaSobrecPeso cvcv minImarg %25%50 ++= (18)

lbKgPeso

Peso

Peso

6.6724730503

2172829255850

21728)25.0*11700()5.0*11700(

==

++=

++=

Se distribuye el peso para todos los pernos que en total son 16, entonces se analiza un perno.

lbF 9.4202= Fuerza en un perno E hierro = Psi610*5.14 E Acero = Psi610*30 1 Tornillo SAE Grado 5

PsiS

in

p 74000

4

11

=

=Φ

PsiS y 81000=

2969.0 inAt =

roscasperno LLL += (19)

25.02

3

75.025.11

+=

=

++=

dcL

inL

inL

rosca

perno

perno

37

ininL

LLL

L

L

LLL

L

L

t

sjuntat

s

s

roscapernos

rosca

rosca

25.01

25.0

75.23

75.2

25.025.0*2

−=

−=

=

−=

−=

=

+=

4

)25.1(*

4

**

75.0

2

2

π

π

=

=

=

b

b

t

A

cdA

inL

222.1 inAb =

dcdi 2

3=

87.1=id

38

Figura 16. Perno con sus juntas

bb

s

bt

t

b EA

L

EA

L

K+=1

(20)

)10*30(*)22.1(

25.0

)10*30(*)969.0(

75.0166

+=bK

in

lbfK

K

b

b

7

8

10*06.3

10*26.31

=

= −

−+++−+

=

)(*)(*

*2

***

dcdddTanL

dcdddTanLLn

TanEdcK

icii

icii

j

αα

απ

in

lbfK

Tan

TanLn

TanK

j

j

7

6

10*11.11

)25.187.1(*25.187.130*1

)25.187.1(*25.187.130*1*2

30*)10*5.14(*25.1*

=

−+++−+

= π

39

21.0

11.1106.3

06.3

=

+=

+=

C

C

KK

KC

jb

b

lbP

lbP

PCP

PFF

b

b

b

bib

6.882

9.4202*21.0

*

=

=

=

+=

lbfF

F

lbF

F

ASF

b

b

i

i

tpi

8.51076

6.8822.50194

2.50194

969.0*74000*7.0

**7.0

=

+=

=

=

=

Factor de seguridad

b

ySN

σ=

t

bb A

F=σ

969.0

8.51076=bσ

40

5.18.52710

81000

8.527102

==

=

N

in

lbfbσ

Factor contra separación

P

PN o

sep = (21)

C

FP i

o −=

1 (22)

9.4202

9.63536

9.63536

21.01

2.50194

=

=

−=

sep

o

o

N

P

P

11.15=sepN

La junta resiste ya que tiene un factor muy elevado. Ahora posteriormente se pasa a realizar un análisis estático a través de Algor v.19 para de esta manera determinar el tipo de acero sea el optimo para tanques metálicos, que transporten abonos líquidos como la vinaza. Tabla 5. Dimensiones del tanque metálico

41

Figura 17. Tanque metálico

Figura 18. Tanque de frente

42

Figura 19. Travesaños

En la figura 19, se muestran los travesaños interiores y los exteriores. Figura 20. Eje trasero

En la figura 20 se observa el eje trasero, donde esta sujetado por dos grapas en cada extremo, donde el eje soporta el peso de la estructura y del tanque, este eje es conocido como barra perforada TKF, es un SAE 1518 pero esta referencia no es muy conocida, sus componentes químicos y su resistencia es semejante al acero AISI 1045.

Travesaño exterior

Travesaño interior

Grapa Grapa

Barra perforada TKF

43

Figura 21. Cilindro y travesaños

En la figura 21, se observa donde el cilindro esta unido con el resto de la estructura, travesaños exteriores e interiores. Figura 22. Desplazamiento longitudinal

Deformación

Cilindro Travesaños

44

En la figura 22 se puede observar una pequeña deformación de color rojo de 4.53 milímetros. Figura 23. Diagrama de esfuerzos Von Mises

45

En la figura 23 vemos los esfuerzos con el criterio de Von Mises, cuyo valor máximo es de 7.86 N/mm. Figura 24. Diagrama de Factor de seguridad

46

Como se muestra en la figura 24, se puede apreciar el factor de seguridad con el acero óptimo, que todo el tanque tiene un factor de seguridad bueno, se observa de color rojo. Figura 25. Malla del tanque

47

Figura 26. Vista frontal del mallado.

Se muestra en la figura 25 y 26 se observa la malla realizada en algor a un tanque elíptico. Figura 27. Dimensiones del tanque

48

8. CONCLUSIONES * Se comprobó que los materiales utilizados para el diseño y construcción de las estructuras y tanques metálicos son los adecuados, acero estructural A36. * Se comprobó en los análisis de su chasis, que su estructura es la indica y que no presentan fallas. * Se puede dar uso a una herramienta como Algor un gran uso en verificaciones de diseños ingenieriles, para dar un valor aproximado de lo que realmente afectaría al diseño. * Para el diseño previo del tanque metálico que soportaba una presión hidrostática, ya que la vinaza tiene casi la misma densidad del agua, se determino que el acero de fabricación es optimo para la construcción del mismo siendo un AISI 304. * Con el análisis realizado en Algor, nos muestra que el tanque esta bien diseñado, ya que tiene un factor de seguridad bueno 2.7, que no es muy alto y ni muy bajo. * El desplazamiento longitudinal mostrado en Algor, que genera el tanque es muy bajo, solo se desplaza 4mm. * Con la herramienta computacional Algor, se puede tener el diagrama de esfuerzos Von Mises, donde también se ve que no tiene fallas.

49

BIBLIOGRAFIA

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GALLEGO ROJAS, Gozmán. Diseño y calculo de Ascensor para edificio de seis pisos y Accesoria técnica a empresa de ascensores Aggt. Santiago de Cali, 1985. Trabajo de grado (Ingeniero Mecánico). Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de ingenierías. HIBBELER, R.C, Mecánica de materiales, 6 ed. México: Prentice Hall, 2006. 876 p. MOTT, R.L. Diseño de elementos de maquinas. 4 ed. Estados unidos: Prentice Hall, 2003.640 p. Manual of steel construction, load & resistance factor design: 2 ed. Estados unidos: American institute of steel construction inc, 1994. 1-199 p. NORTON, L Robert, Diseño de maquinas, 1 ed. México: Prentice Hall, 1999. 794 p. Notas de clase de diseño mecánico I. Profesor Robert Cooper, Universidad Autónoma de Occidente. Santiago de Cali, 2006. 25 h. SHIGLEY, Edward Joseph. Teoría de maquinas y mecanismos. Estados unidos: Mc Graw Hill, 1990. 734 p.

analisis estructural de un tanque metalico para el

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