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• Jose Luis Torres

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ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA CARROCERÍA PARA AUTOBUS INTERPROVINCIAL MONTADA EN CHASIS HINO AK CON CAPACIDAD PARA 60 PASAJEROS CONSTRUIDA POR CARROCERÍAS EUROCARROCERIAS.

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA CARROCERÍA PARA AUTOBÚS INTERPROVINCIAL MONTADA EN CHASIS HINO AK CON CAPACIDAD PARA 60 PASAJEROS CONSTRUIDA POR CARROCERÍAS EUROCARROCERIAS.

RESUMEN

En primer lugar se establecen los estados de carga a los cuales está solicitada la estructura resistente, en base a lo establecido en el Reglamento 66 – CEE (Prescripciones Técnicas Uniformes Relativas a la Homologación de Vehículos de Grandes Dimensiones para el Transporte de Pasajeros por lo que Respecta a la Resistencia de la Superestructura) y Reglamento 36.03 – CEE (Volumen de las Bodegas Portaequipajes en

) de la Comunidad Económica Europea, la NTE

INEN 2205:99 (Vehículos Automotores. Bus Urbano. Requisitos) y la NTE INEN 1323:2009 (Vehículos Automotores. Carrocerías de Buses. Requisitos). Utilizando el paquete computacional Sap2000 para el análisis estructural asistido por computadora, se analiza el estado de formacional y tensional de la estructura. Una vez analizada la estructura se procede a verificar las condiciones de rigidez y resistencia en base al código AISC-ASD 89(Novena Edición). Abril 2015

1. INTRODUCCIÓN. En el presente informe, se exponen los resultados del análisis estructural para un modelo

de

carrocería

para

bus

interprovincial,

desarrollado

por

EUROCARROCERÍAS. El cálculo asistido por computadora permite simular el comportamiento estructural cuando ocurran grandes cargas que pueden provocar daños severos si la estructura no es capaz de resistirlas. Mediante este método se puede evaluar simuladamente las tensiones y deformaciones en los elementos estructurales. Las tensiones estáticas, son aquellas que surgen producto del peso de sus componentes y de las cargas de ocupación (pasajeros, conductor, tripulante, etc.). El análisis estructural se realizó, bajo las siguientes condiciones: -

Para la modelación geométrica se considera a la estructura como un sistema tridimensional de barras de nodos rígidos, por lo tanto se utiliza elementos finitos barra de 6 grados de libertad por nodo.

-

El material de los elementos estructurales, al tratarse de acero, se considera como elástico lineal.

-

Las cargas se aplicarán como distribuidas y concentradas de acuerdo a su naturaleza, considerándolas constantes en el tiempo.

-

La variación de la geometría de la estructura bajo la aplicación de cargas se considera despreciable (hipótesis de pequeños desplazamientos).

-

La estructura se modela con elementos finitos lineales de seis grados de libertad, y elementos de placa o tipo Shell.

2.

MATERIALES ESTRUCTURALES UTILIZADOS

Marca Fabricante

Norma

Tubería estructural

JIS G-3132 Resist. a la CLASS -1 tracción= 2800 IPAC SPHT-1 kg/cm2

ASTM A-36

Límite de fluencia=2551 IPAC kg/cm2

Perfiles conformados en planta a partir de plancha ASTM A-36 laminada en caliente

Límite de fluencia=2551 IPAC kg/cm2

Angulo laminado 40x40x2

ASTM A-36

Límite de fluencia=2400 IPAC kg/cm2

Plancha laminada caliente, e=2 mm

ASTM A-36

Límite de fluencia=2551 IPAC kg/cm2

Perfiles estructurales

3.

Propiedad Mecánica

Denominación

en

/

MODELO GEOMÉTRICO Para modelar la estructura resistente de la carrocería para chasis HINO AK se utilizaron dos tipos de elementos finitos: 1.-

Elementos de barra de seis grados de libertad (Frame), que se obtienen a partir de las rectas que representa la perfilería de la estructura resistente del autobús.

2.-

Elementos placa, que se obtienen a partir de superficies. Se utilizan para modelar la plancha del piso del bus, con el propósito de contemplar su influencia en la capacidad resistiva de la carrocería.

A continuación se presenta el modelo geométrico, para que se pueda realizar la respectiva constatación:

Fig.1: Modelo geométrico completo

4.

NORMAS Y REGLAMENTOS UTILIZADOS o Reglamento 66 – CEE (Prescripciones Técnicas Uniformes Relativas a la Homologación de Vehículos de Grandes Dimensiones para el Transporte de Pasajeros por lo que Respecta a la Resistencia de la Superestructura). o Reglamento 36.03 – CEE (Volumen de las Bodegas Portaequipajes en

).

o Norma Técnica Ecuatoriana INEN 2205:99 (Vehículos Automotores. Bus Urbano. Requisitos). o Norma Técnica Ecuatoriana INEN 1323:2009 (Vehículos Automotores. Carrocerías de Buses. Requisitos). o Código AISC-ASD 89 (Novena Edición). o Reglamento Técnico Mercosur de Vehículos de la Categoría M3 para el Transporte Automotor de Pasajeros por Carretera (Ómnibus de Media y Larga Distancia)

5.

COMBINACIONES DE CARGAS BÁSICAS Las estructuras de las carrocerías deben ser diseñadas de tal manera que resistan los esfuerzos determinados por siguientes combinaciones de cargas básicas establecidas por el literal 5.1.2.1 de la NTE INEN 1323: Según Método ASD (Allowable Strength Design) 1: M 2: M + V 3: M + V + G 4: M + V + F 5: M + V + F + 6: M + V + 7: M + V + 8: M + V +

+

6.

CARGAS DE DISEÑO Para el análisis cuasi-estático de la estructura de la carrocería se aplicarán las cargas especificadas: Estado 1 - Carga Muerta (M): Peso propio de la carrocería, activada para cálculo automático de peso del acero estructural y corregido para incluir peso de forros, asientos, etc. Estado 2 – Carga Viva (V): Carga de ocupación, modelada como presión uniformemente distribuida sobre la plancha del piso, y calculada para: Capacidad = 60 pasajeros

Un Chofer Un tripulante Peso por persona = 70 Kg. El peso de los pasajeros se distribuye sobre los elementos Shell, considerando en primer lugar la capacidad por zonas del bus Interprovincial. Forma de Distribución del peso de pasajeros en la Carrocería: Esta distribución se la hizo de acuerdo al número de asientos que contempla el bus, 22 personas para la fila de asientos del lado izquierdo, 22 personas para la fila de asientos del lado derecho, y 16 personas de pie en el pasillo tomando como referencia el literal 5.1.1.1 de la Norma INEN 1323 que determina el área del espacio necesario por pasajero de pie. Carga Viva Lado Izquierdo=0.00021 kg/mm2 Carga Viva Lado Derecho=0.00021 kg/mm2 Carga Viva Pasillo=0.00027 kg/mm2 Estado 3 – Carga por Resistencia del Aire Frontal (

): Según el literal 5.1.1.5

de la NTE INEN 1323 se la aplicará como la fuerza del aire actuante sobre un área actuante a la proyección del bus en un plano perpendicular a su eje longitudinal. La carga de la resistencia del aire calculada para una velocidad máxima efectiva de 60 Km/h actuando como carga distribuida sobre los elementos del frontal. Fuerzas a las líneas =720,56 Nm

Estado 4–Carga de Giro(G): Según el literal 5.1.1.2 de la NTE INEN 1323 debe calcularse en función de la fuerza centrífuga que se genera al ingresar el vehículo a una curva de determinado radio de giro y a una cierta velocidad. Esta fuerza centrífuga deberá ser inferior a la fuerza de vuelco, calculada sobre la base del peso total del bus a plena carga y su centro de gravedad. La velocidad crítica deberá ser considerada de al menos 90 km/h y el radio de giro se establece en función de la siguiente tabla:

Para el cálculo del diseño de la carrocería se consideró la velocidad del vehículo de 110 km/h y un radio de curvatura de la carretera de 550m. Carga de Giro= 3.21 Kgf Estado 6– Carga de Aceleración Brusca (

): Según el literal 5.1.1.4 de la NTE

INEN 1323 se calcula con el mismo criterio de la carga de frenado pero en sentido contrario. Carga de Aceleración Brusca= 4.41 Kgf Estado 5 – Carga de Frenado (F):

Según el literal 5.1.1.3 de la NTE INEN

1323 se asume una desaceleración mayor o igual a 4 Carga de Frenado= 9,81 Kgf

.

Combinación de cargas: Aplicando el principio de superposición, la solicitación total la representamos en los estados de carga presentados en el programa Sap2000. COMB1: M COMB2: M + V COMB3: M + V + G COMB4: M + V + F COMB5: M + V + F + COMB6: M + V + COMB7: M + V + COMB8: M + V +

+

7.

RESULTADOS DEL ANÁLISIS

7.1 Verificación del Estado Deformacional 7.2 Desplazamientos Verticales Máximos (mm) Por la naturaleza y ubicación de los resultados, considerando que la mayor deformación se presenta en la parte superior en el techo de la carrocería, analizamos los desplazamientos longitudinales máximos: TABLE: Joint Displacements Joint

OutputCase

U2

Text

Text

mm

168

COMB3

-9,7357

1110

COMB3

-9,2337

1161

COMB3

-8,2018

554

COMB3

-6,1990

1152

COMB3

-6,1731

Según el literal 5.1.4 de la NTE INEN 1323 todos los componentes de la estructura de la carrocería deben alcanzar una deformación elástica iguales o menores a 1/240 veces su longitud para cargas combinadas.

Por lo tanto el máximo desplazamiento en sentido Longitudinal se presenta en el nodo 168 (ubicado en la parte superior referente al techo en el plano ver Fig.1) y es igual a 9,7357 mm=0,97 cm (hacia abajo), valor que está en el rango aceptable, considerando el desplazamiento permisible de L/240= 10,18 mm para L=2445 mm en sentido Longitudinal.

8. Verificación del Estado tensional. A continuación se apreciará las imágenes correspondientes a los estados de deformación para los estados de carga aplicados y la resultante de las razones de esfuerzos en condiciones extremas:

Fig.2: Valores de la Razón de Esfuerzos de la Estructura de la Carrocería. Según se muestra la gráfica correspondiente, podemos notar que los elementos estructurales están dentro de los valores permitidos para las razones de esfuerzo, ya que ningún elemento sobrepasa el valor mayor o igual que 1. El valor máximo de la razón de esfuerzo es de 0,9 ver Fig.- 3 en el travesaño de la estructura del piso (elemento de color amarillo)

Fig.3: Elemento del techo con mayor razón de esfuerzo. 9.

Verificación de la Resistencia de la Estructura según el literal 5.1.5.1 de la NTE INEN 1323. Resistencia de la Estructura: Debe existir una Carga Estática sobre el techo equivalente al cincuenta por ciento (50 %) del peso máximo admisible para el chasis, distribuido uniformemente a lo largo del mismo, sin experimentar deformaciones en ningún punto, que superen los setenta milímetros (70 mm). Este está en conformidad al Reglamento Técnico de la Mercosur que limita las condiciones de construcción para vuelco. 9.1.

Desplazamientos Verticales Máximos (mm)

En el siguiente cuadro analizamos los valores de deformación sobre el techo. TABLE: Joint Displacements Joint

OutputCase

U3

Text

Text

mm

338

COMB4

-3,1577

338

COMB5

-3,1385

338

COMB2

-2,8619

338

COMB6

-2,8428

338

COMB3

-2,6463

Fig.4: Desplazamiento vertical Máximo sobre el piso. El máximo desplazamiento vertical para la carga en el techo de la estructura se presenta en el nodo 338 (ubicado en el centro posterior del piso, detrás de las ruedas traseras, ver Fig.4) y es igual a 3,157 mm= 0,31cm (hacia abajo), valor que está en el rango aceptable,

considerando el desplazamiento permisible es de 70 mm=7cm según la Norma INEN 1323. 10.

CONCLUSIONES.

- La Resistencia de la Estructura analizada está en conformidad al literal 5.1.5 de acuerdo a la NTE INEN, cumpliendo con los parámetros de aceptación. - La estructura resistente de la carrocería para bus interprovincial con capacidad para 60 pasajeros, diseñada y construida por EUROCARROCERÍAS, para chasis HINO AK, desde el punto de vista del análisis tensional y deformacional bajo estado de cargas combinadas en condiciones extremas simulado con el programa

Sap2000,

SATISFACE

RESISTENCIA Y RIGIDEZ.

LOS

REQUERIMIENTOSS

DE

El valor máximo de razón de esfuerzo es de

0,9, cuyo valor está dentro de los parámetros de aceptación.

____________________________ Ing. Cristian Santander.