UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO

FIMEE

“DIMENSIONAMIENTO ESTRUCTURAL DE UN MODULO PARA UN INVERNADERO DE PRODUCCION INTENSIVA”

PRESENTA:

Víctor Enrique Silva RodríguezCuauhtemoc Rubio AranaJuan José López Aguilar Rafael Ángel Rodríguez Cruz

SALAMANCA, GTO JULIO 2003

Los invernaderos deben su nombre al incremento de temperatura que ocurre en su interior, el cual es similar al calentamiento que sufre la superficie terrestre por acción de la atmósfera. Este fenómeno es llamado efecto invernadero.

Tipos de Invernaderos

Plantas que se pretenden producir

• Se selecciono el jitomate como la hortaliza que se pretende cultivar bajo invernadero debido a las causas que se explican a continuación:

• Fácil adaptabilidad dentro de invernadero.• Necesidad de mayor iluminación que las otras

hortalizas consideradas.• La planta es más pesada y más alta que las otras dos• La temporada de producción es larga (ésta puede

prolongarse hasta por 7 meses).• El 60% de la superficie de hortalizas cultivadas bajo

invernadero corresponde al jitomate.

Condiciones Climáticas Locales

• Dirección y velocidad del viento: Se registran velocidades máximas de 11,5 m/s, la dirección dominante es hacia el noroeste proveniente del sureste.

• Variación en la temperatura: Se registran temperaturas medias de 21,5 oC en el transcurso del año, fríos ocasionales de 7 u 8 0C en Diciembre-Enero y algunas temperaturas calientes de 38 o C a fines de mayo.

• Humedad relativa: HR 15%, en época de lluvias HR 80 %.

• Irradiación solar: una media de 350 W/m2 y máxima de1200 W/m2 .

• Precipitación pluvial: la precipitación media anual en el estado de Guanajuato es de 597,5 mm pero puede llegar hasta los 800mm.

Los invernaderos modulares (tipo túnel, capilla, diente de sierra, etc...) son un tipo de construcción tridimensional basado en vigas y columnas donde una armadura es unida a otras armaduras paralelas, se unen tantas armaduras como sean necesarias para distribuir la carga y lograr así el tamaño de nave deseada

Las Estructuras Que Son Utilizadas En Los Invernaderos Se Derivan De Dos Configuraciones Que Son: Las Geodésicas Y Modulares

Por acuerdo con la empresa interesada en el dimensionamiento estructural del invernadero; se pretende diseñar un invernadero de producción intensiva para el cultivo y producción de jitomate, pimiento morrón y calabacín. El tipo de estructura que se utilizaráserá del tipo reticular tridimensional, unida entre si con juntas de acople rápido

Selección del tipo y distribución de la estructura

• Se hizo una comparación entre los perfiles estructurales mas representativos que son utilizados para la construcción de invernaderos (tipo túnel, domo, diente de sierra, diente de sierra combinado, capilla, parral y geodésico), se seleccionó el perfil de diente de sierra combinado, este perfil supera en muchos aspectos a los otros tipos de perfiles además de existir por parte de la empresa interesada el interés en particular por este

• La estructura constara de un módulo base con dimensiones de 6,0 m x 12,0 m, su principal característica será la facilidad de extender la superficie dentro del invernadero.

Diente de sierra combinado

Cargas de diseño

Los tipos de cargas que se consideran en el diseño de edificios son:

• Cargas muertas, las cuales incluyen el peso de la estructura de acero, muros, cubierta del techo, instalaciones mecánicas y eléctricas y muros divisorios.

• Cargas vivas, las cuales incluyen todas las cargas temporales.

• Cargas meteorológicas.

Cargas Muertas

Por tratarse de una edificación de una sola planta sólo se manejara el peso de las plantas en producción plena como cargas muertas. Se aplicara una densidad de carga de 18 kg/m2 , correspondientes a la producción de 180 ton /ha de jitomate bajo invernadero.

• Este peso se encuentra colgado de cables que a su vez están sujetos a puntos específicos en las armaduras de la estructura.

• Se consideraron 3 hileras de plantas distanciadas a una distancia de 1.5m.

• Realizando los cálculos correspondientes se encuentra finalmente las cargas aplicadas en los nodos específicos son:

• 1058.4 N para los nodos interiores

• 529.2 N para los nodos exteriores

Cargas Vivas Y Meteorológicas

• El calculo de las cargas vivas y meteorológicas se realiza basado en norma.

• Para el caso de los invernaderos la National GreenhouseManufacturers Association (NGMA) establecida en Estados Unidos de Norteamérica. ha dispuesto normas establecidas para el calculo de cargas de diseño aplicadas, esta norma a su vez esta basada en la norma ANSI A58.1-1982..

• Cargas de nieve: no aplica debido a la clima típico de Salamanca, Gto.

• Cargas de viento: considerando una velocidad de 11,5 m / s , I = 1,0 (Factor de importancia para un edificio en general), con exposición tipo B, Factor de ráfaga z =1,65 y Coeficiente de presión interna GCp = ,25 :

• Muro a Barlovento = 4316,5435 Pa.• Muro a Sotavento =-3005,3867 Pa.• Muros Laterales =-5667,904 Pa. • Techo a Barlovento =-6313,1845 Pa• Techo a Sotavento =-5667,9041 Pa

65.1=z

Modelado De La Estructura Para este análisis se utilizo el elemento viga tridimensional, el cual define a una viga prismática e Isotrópica y puede estar definida por dos o tres nodos, cuenta con capacidad para trabajar a tensión, compresión, torsión, flexión, y puede aceptar cargas puntuales y distribuidas. Además de que puede trabajaren el estado elástico y plástico. Para este modelo se utilizará el acero ASTM A-36 grado estructural las propiedades del material necesarias para este análisis son:

• E = 210 MPa = EXX (Modulo de Young)• ν= 0.33 = NUXY (Constante de Poisson)

Modelo De Estructura

Resultados Del Análisis Con Cargas Muertas Aplicadas

Aplicación De Cargas De Viento

Resultados Obtenidos Debido A La Aplicación De Las Cargas De Viento.

Cargas Combinadas

Resultados De Las Cargas Combinadas.

Conclusiones Del Análisis De La Estructura

• Utilizando los valores obtenidos del análisis donde se encontró que:

• σ1 = 0,763x108 MPa y considerando que Sy = 210MPa para un acero estructural ASTM A-36

• se obtiene según la ecuación del factor de seguridad :• η = 0,763x108 MPa / 210MPa• η = 2 : 75

Tipos De Juntas

Junta No. 1

Juntas 2 Y 3

Junta No. 4

Diseño De Capiteles

A fin de realizar el diseño de los capiteles se genero una geometría en el software CAD Mechanical DesktopR y se exporto posteriormente hacia el software de CAE ANSYSR

Análisis Del Capitel

Para este análisis se utilizo un elemento placa tridimensional (SHELL 63) con espesor de 4,8 mm que es un elemento definido por 3 o 4 modos con capacidad para trabajar a flexión y recibir presiones en sus dos caras normales y en sus cuatro lados, también se utilizo el elemento viga para representar los elementos estructurales unidos a la junta, se utilizaron las características descritas en el capitulo 4.

Modelado del capitel

Aplicación De Las Ecuaciones De Restricción

Modelo Completo

Resultados

Resultados

Si σ1 = .300x109 MPa y considerando que SY = 0,344x109 MPa para una placa de acero de 4.8 mm de espesor y especificando un acero A570 GR. 50 .

Se obtiene según la teoría de la distorsión de von-misses la ecuación para el factor de seguridad:

η = 0,300x109 MPa / 0,344x109 MPa η = 1,1413

Conclusiones

Una vez cumplidos los objetivos que se plantearon en el presente trabajo de tesis se puede concluir lo siguiente:

1. Se realizó el dimensionamiento de los elementos estructurales y del capitel con un factor de seguridad adecuado a las condiciones de trabajo y ambientales que se presentan típicamente en la ciudad de salamanca.

2. Los materiales propuestos para el diseño del invernadero realizado son de fácil localización en la entidad o en la región.

Conclusiones3. Se cumplió con el objetivo de diseñar un invernadero que

utilizará juntas de acople rápido como elementos de unión. Una importante observación que debe hacerse, es que este tipo de juntas pueden limitar el desempeño mecánico de la estructura (baja rigidez).

4. Se proporcionó una base para el calculo de invernaderos de cualquier tipo, asentando que los invernaderos deben diseñarse en función del sitio, clima y cultivo específicos.

5. Se comprueba que el método del elemento finito en la solución de problemas reales de la industria metalmecánica de la entidad es una excelente herramienta poco usa hasta el momento.