Principios de La Mecanica Estructural
Universidad Andina del Cusco FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA ACADEMICO DE INGENIERIA INDUSTRIAL PROYECTO: ESTRUCTURAS
Views 79 Downloads 6 File size 875KB
Recommend stories
- Author / Uploaded
- Tony Gutiérrez
Citation preview
Universidad Andina del Cusco FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA ACADEMICO DE INGENIERIA INDUSTRIAL
PROYECTO:
ESTRUCTURAS Y ELEVADORES
CURSO
: MECANICA APLICADA
ALUMNOS
: NARDA APARCIO CALVO ALMENDRA CABRERA OCHOA IVAN FIGUEROA FRISANCHO ANTTONY GUTIERREZ TORRES GUSTAVO CRISTIAN ARAGON MONDACA
CUSCO-PERU 2013
Mecanica Aplicada
Página 1
Universidad Andina del Cusco INDICE:
Principios de la mecánica estructural…………………….…4
Propiedad de la incertidumbre Método de los estados limite Hipótesis de carga
Fuerzas aplicadas a una estructura………………………….6 Cargas gravitacionales………………………………………...6
Cargas muertas Cargas vivas Cargas vivas en puentes
Fuerzas ambientales…………………………………………...8
Cargas de viento Cargas de sismo Cargas debidas a cambios de temperatura Cargas de presión hidrostática y empuje de tierras
Combinación de cargas o estado de carga………………...13 Métodos de diseño……………………………………………..13 Criterios de falla………………………………………………....14 Ascensor…………………………………………………………15 Elementos constitutivos de un ascensor…………………….15
Cabina Contrapeso Sistema de paracaídas Grupo tractor en los ascensores electro-dinámicos Maniobras de control
Dispositivos de seguridad………………………………….…16
Enclavamiento electromagnético de las puertas Paracaídas de rotura o desequilibrio de cables de tracción Limitador de velocidad Finales de carrera Dispositivo de parada de emergencia
Mecanica Aplicada
Página 2
Universidad Andina del Cusco Timbre de alarma Luz de emergencia Sistema de pasacargas
Mecanismos…………………………………………………..19
Ascensor de tracción eléctrico Ascensor hidráulico Ascensor sin cuarto de maquina Ascensor twin (gemelos)
Algoritmos de maniobras……………………………….......21
Colectiva descendente Colectiva ascendente – descendente
Sistema de coordinación…………………………………….22 Como se frena un elevador en caso de accidente……….22 Limitador de velocidad……………………………………….23 Principios básicos del funcionamiento de un ascensor…24 Conclusiones…………………………………………….……25 Bibliografía …………………………………………………....26
Mecanica Aplicada
Página 3
Universidad Andina del Cusco
PRINCIPIOS DE LA MECANICA ESTRUCTURAL Debe entenderse como una carga estructural aquella que debe ser incluida en el cálculo de los elementos mecánicos (fuerzas, momentos, deformaciones, desplazamientos) de la estructura como sistema y/o de los elementos que la componen. Las cargas estructurales son generalmente clasificadas como: cargas muertas que actúan de forma continua y sin cambios significativos, pertenecen a este grupo el peso propio de la estructura, empujes de líquidos (como en un dique) o sólidos (como el suelo en un muro de contención), tensores (como en puentes), presfuerzo, asientos permanentes; cargas vivas que son aquellas que varían su intensidad con el tiempo por uso o exposición de la estructura, tales como el tránsito en puentes, cambios de temperatura, maquinaria (como una prensa), acumulación de nieve o granizo, etcétera; cargas accidentales que tienen su origen en acciones externas al uso de la estructura y cuya manifestación es de corta duración como lo son loseventos sísmicos o ráfagas de viento. Algunos principios básicos del cálculo estructural son:
Aleatoriedad e incertidumbre, sobre el valor de las cargas actuantes, por lo que estas deben ser tratadas como variables aleatorias por lo que un cálculo estructural seguro incluye determinar valores estadísticos asociados a la densidad de probabilidad de cada carga. Así se define el valor característico de una carga F de efecto desfavorable como el valor tal que:
Para los cálculos se define el valor de dimensionado o valor de cálculo que es un valor mayorado calculado a partir del valor característico y los correspondientes coeficientes de seguridadcomo:
Mecanica Aplicada
Página 4
Universidad Andina del Cusco Donde
es el coeficiente de mayoración de fuerzas.
Método de los estados límites, muchas instrucciones técnicas y métodos recomendados usan este método consistente en identificar un conjunto de situaciones potencialmente peligrosas para la estructura, cuando el valor de cierta magnitud supera un cierto umbral. El cálculo estructural consiste en identificar un conjunto de magnitudes relevantes y comprobar que para todas ellas se cumple que:
Donde
es valor de cálculo previsto o "valor demando" con una
probabilidad alta a lo largo de la vida útil de la estructura; y es el valor último (o capacidad máxima) que es capaz de proporcionar la estructura por sus características. Si el valor de cálculo previsto no supera en ningún caso la capacidad potencial de la estructura, se juzga que la estructura mantendrá la integridad estructural y será segura para su uso establecido. En la práctica y son variables aleatorias, por lo que los códigos de cálculo estructural contienen prescripciones aproximadas asegurar la probabilidad:
sea suficientemente pequeña.
Hipótesis de carga, dadas las incertidumbres existentes sobre una estructura, y las diferentes condiciones en que puede trabajar, no resulta posible determinar mediante un único cálculo o combinación de cargas el efecto general de las cargas. Por esa razón la mayoría de instrucciones técnicas establecen diferentes combinaciones de carga, que en su conjunto reproducen situaciones cualitativamente diferentes que pueden ocurrir durante la vida útil de una estructura. Unidimensionales
Solicitacione s rectos predominant es
Bidimensionales
curvos
planos
curvos
Flexión
viga viga placa, losa, forjado, m lámina, cúp recta, dintel, arquitr balcón, ar uro de contención ula abe co
Tracción
cable tensado
Compresión
pilar
Mecanica Aplicada
catenaria
membrana elástica muro de carga
Página 5
Universidad Andina del Cusco FUERZAS APLICADAS A UNA ESTRUCTURA. Se distinguen dos tipos de fuerzas actuando en un cuerpo: las externas y las internas. Las externas son las actuantes o aplicadas exteriormente y las reacciones o resistentes que impiden el movimiento. Las internas son aquellas que mantienen el cuerpo o estructura como un ensamblaje único y corresponden a las fuerzas de unión entre sus partes. Las actuantes son aquellas cargas a las que se ve sometida la estructura por su propio peso, por la función que cumple y por efectos ambientales. En primera instancia se pueden subdividir en cargas gravitacionales, cargas hidrostáticas y fuerzas ambientales (sismo, viento y temperatura). Las gravitacionales son aquellas generadas por el peso propio y al uso de la estructura y se denominan gravitacionales porque corresponden a pesos. Entre ellas tenemos las cargas muertas y las cargas vivas. Otra clasificación de las cargas es por su forma de aplicación: dinámicas y estáticas. Las cargas dinámicas son aquellas aplicadas súbitamente y causan impacto sobre la estructura. Las cargas estáticas corresponden a una aplicación gradual de la carga. 1. CARGAS GRAVITACIONALES 1.1 Cargas muertas Son cargas permanentes y que no son debidas al uso de la estructura. En esta categoría se pueden clasificar las cargas correspondientes al peso propio y al peso de los materiales que soporta la estructura tales como acabados, divisiones, fachadas, techos, etc. Dentro de las cargas muertas también se pueden clasificar pueden determinar con cierto grado de exactitud conociendo la densidad de los materiales. Consultar la densidad de los principales materiales de construcción: acero, hormigón, madera, vidrio, mampostería de ladrillo hueco, mampostería de ladrillo macizo, mortero, tierra, plástico; como también las cargas mínimas de diseño en edificaciones para particiones y divisiones y acabados (consultar en la NSR-98. En www.asosismica.org se encuentra la Norma Colombiana de Diseño y Construcción Sismo Resistente de 1998). 1.2 Cargas vivas Corresponden a cargas gravitacionales debidas a la ocupación normal de la estructura y que no son permanentes en ella. Debido a la característica de movilidad y no permanencia de esta carga el grado de incertidumbre en su determinación es mayor. La determinación de la posible carga de diseño de una edificación ha sido objeto de estudio durante muchos años y gracias a esto, por medio de estadísticas, se cuenta en la actualidad con una buena aproximación de las cargas vivas de diseño según el uso de la estructura. Las cargas vivas no incluyen las cargas ambientales como sismo o viento. Para efectos de diseño es el calculista quien debe responder por la seguridad de la estructura en su vida útil, para esto cuenta con las ayudas de las normas y códigos de diseño donde se especifican las cargas vivas mínimas a considerar.
Mecanica Aplicada
Página 6
Universidad Andina del Cusco Consultar en la NSR-98 (Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, www.asosismica.org) las cargas vivas de diseño para edificios de vivienda, universidades, almacenes, etc. Compare estos valores. 1.3 Cargas vivas en puentes Los tipos de cargas vivas considerados en el diseño de puentes se resumen en: carga de camión y carga de vía, carga de impacto y carga de frenado. La carga de camión considera el peso de un camión como un conjunto de cargas puntuales actuando con una separación y repartición que representa la distancia entre ejes (ruedas) de un camión de diseño. La carga de vía corresponde a una carga distribuida y representa el peso de vehículos livianos circulando por el puente. Se pueden combinar la carga de vía y la de camión en una misma luz de un puente, esto representa un puente cargado con carros livianos y entre ellos un camión. El esquema general de la carga de vía mas camión es el siguiente. (lane load, truck load)
Mecanica Aplicada
Página 7
Universidad Andina del Cusco
La magnitud de las cargas puntuales depende del tipo de camión se espera circule por la vía en diseño. Para la carga de impacto se considera un factor de multiplicación de la carga viva de camión y vía y para la de frenado una carga horizontal proporcional a la carga de vía o camión. Ver mayor detalles en el código de la AASHTO o en el Código Colombiano de Puentes. 2. FUERZAS AMBIENTALES 2.1 Cargas de viento El viento produce una presión sobre las superficies expuestas. La fuerza depende de: -densidad y velocidad del viento -ángulo de incidencia -forma y rigidez de la estructura -rugosidad de la superficie -altura de la edificación. A mayor altura mayor velocidad del viento Para una estructura en general se deben calcular las cargas de viento que actúan, en cualquier dirección, sobre: a. La estructura en conjunto b. Los elementos estructurales individuales, por ejemplo una pared de fachada en especial, el techo. c. Las unidades individuales de revestimiento y sus conexiones, vidriería y cubierta con sus aditamentos.
Mecanica Aplicada
Página 8
Universidad Andina del Cusco
Para convertir el efecto del viento en presión se cuenta con dos procedimientos aceptados por las normas, el simplificado o estático y el dinámico. En el estático se toma una velocidad promedio sin tener en cuenta efectos como rugosidad del terreno y topografía y se convierte en presión por métodos energéticos (energía cinética pasa a ser energía potencial). Si después de realizar el análisis estático se encuentra que el viento es determinante en el diseño, se debe realizar un estudio mas profundo de la carga utilizando el método de análisis dinámico. Método simple: La presión producida por el viento se calcula por: en kN/m2 donde: P: presión estática q: velocidad convertida en presión dinámica. Vs: velocidad del viento en k.p.h (km/hora). Para determinar la velocidad, Vs, se cuenta con los mapas de amenaza eólica del país (figura B.6.5.1 de la NSR-98), donde por energía sabemos que la energía cinética es 1/2mV2 y m es la densidad del aire. La tabla B.6.4-1 nos da los valores de q calculados según la altura con respecto al terreno de la parte superior de la edificación o de cada parte de esta, si se hace un análisis por partes y según la velocidad del viento. Debe tenerse presente que el análisis simple no considera otros factores como rugosidad del terreno, tamaño del edificio, altura sobre el terreno, topografía y por lo tanto, es de esperarse que los valores encontrados por este método son mayores a los que se encontrarían por un análisis particular. S4: variación de la densidad del aire con la altura sobre el nivel del mar Cp= Coeficiente de presión que depende de la forma de la edificación. Para encontrar la presión ejercida sobre las diferentes partes de la estructura se emplean los coeficientes CP (coeficientes de presión) que modifican el valor de la presión del viento básica para tener en cuenta los efectos de la forma de la edificación y el sentido de la presión que se produce. Por el análisis simplificado estos valores son globales para la estructura analizada, es decir, no consideran efectos puntuales que pueden hacer aumentar la presión del viento en algún punto en especial de la edificación. Según las recomendaciones del análisis simple de la NSR-98 se dan valores de Cp para: Cubiertas con superficies inclinadas en edificaciones cerradas, tabla B.6.4-3 (cubiertas inclinadas, superficie a barlovento y superficie a sotavento. En cubiertas inclinadas de edificios con uno o mas lados abiertos, leer los valores de la tabla B.6.4-3 y añadir -1,0 a los valores negativos de estas. Mecanica Aplicada
Página 9
Universidad Andina del Cusco Pórticos a dos aguas considerando el viento soplando paralelamente a la cumbrera (fuerza ascendente sobre el pórtico), Cp=-0,6 Para los aleros de cualquier tipo de cubierta, Cp=-1,5 Para superficies verticales como paredes o fachadas de edificaciones o vallas se utilizan los valores de la tabla B.6.4-2. Una vez obtenida la presión se encuentra la fuerza total al multiplicar por el área expuesta frontal efectiva y dicha presión. El resultado del análisis simplificado son unas presiones tentativas sobre el elemento analizado o sobre la edificación, si se quiere tener un análisis mas completo de la variación del coeficiente Cp en cada una de las partes de un techo o de una edificación, se pueden leer los valores del capítulo B.6.7 de la NSR-98.
En las tablas del capítulo B.6.7 se dan los coeficientes de presión dependiendo de la forma de la estructura el revestimiento, la relación altura vs ancho y el punto analizado, con su respectivo signo que da si es presión o succión. Si lo que se quiere es determinar la fuerza de viento total ejercida sobre una estructura, sin tener en cuenta los efectos locales, se trabaja con un coeficiente de fuerza, Cf, en vez de un coeficiente de presión. En ese caso la fuerza de diseño corresponde a la suma de la fuerza en cada una de las direcciones de ataque del viento sobre la estructura, y se calcula como: F=Cf.q.Ae ver ecuación B.6.7-2 de la NSR-98 Donde: Cf= coeficiente de fuerza q= velocidad convertida en presión dinámica Ae=área expuesta o frontal efectiva de la edificación.
2.2 Cargas de sismo: El sismo es una liberación súbita de energía en las capas interiores de la corteza terrestre que produce un movimiento ondulatorio del terreno. Este movimiento ondulatorio se traduce en una aceleración inducida a la estructura que contando esta con su propia masa y conociendo la 2da ley de Newton se convierte en una fuerza inercial sobre la estructura. Es inercial porque depende directamente de la masa de la estructura sometida al sismo. Mecanica Aplicada
Página 10
Universidad Andina del Cusco
Como mencionamos la magnitud de esta fuerza depende de la masa de la edificación y de la aceleración correspondiente de la estructura. La aceleración de la estructura (es decir la respuesta de esta a una perturbación en la base) depende a su vez de su rigidez (K=F/) y de la magnitud y frecuencia de la aceleración del terreno. La masa y la rigidez determinan el periodo de vibración de la estructura que para una aceleración del terreno produce una aceleración de vibración en ella. Por medio de un espectro de diseño (grafica de aceleración del terreno vs. Periodo de vibración de la estructura) se determina la aceleración de diseño para la estructura y por medio de la ecuación de la segunda Ley de Newton, , encontramos una fuerza estática equivalente al sismo. La fuerza total sísmica en la base de la estructura se conoce como cortante basal. V = cortante basal fuerza total en la base El cortante basal se puede determinar por métodos aproximados utilizando la siguiente ecuación derivada de la segunda Ley de Newton: V = W.Sa donde Sa es un coeficiente sísmico (adimensional) que representa la aceleración con que responde la edificación a un movimiento de su base. Se expresa como una fracción de la gravedad y depende de la estructura analizada y de la zona donde se encuentre localizada. En Medellín podríamos decir en forma generalizada que este coeficiente tiene un valor de 0,5 para una vivienda de un piso. 2.3 Cargas debidas a cambios de temperatura Los cambios de temperatura producen dilataciones o contracciones en la estructura general y en sus elementos componentes. Estos cambios pueden producir o no fuerzas adicionales dependiendo del grado de restricción de la estructura y de sus elementos. Como ejemplo podemos analizar el efecto sobre un elemento simple articulado en sus dos extremos. Para un ascenso de la temperatura el elemento trata de estirarse pero como sus apoyos restringen el movimiento lateral es imposible su deformación axial. Para contrarrestar el efecto de alargamiento por temperatura se generan unas fuerzas de reacción que causan compresión del elemento y cuya magnitud es tal que produzcan la misma deformación axial que produce el ascenso de temperatura. De esta manera podemos concluir que los efectos de temperatura dependen de las restricciones al alargamiento y acortamiento de la estructura en general y de sus elementos componentes. Deformación unitaria por temperatura: Є = *t Deformación por cambios de temperatura en un elemento de longitud L: L = *t*L : coeficiente de dilatación térmica que depende del material analizado. Para el acero α = 6,5x10-6 Para concreto α = 5,5 a 7,0 x10-6 Elemento simple: Mecanica Aplicada
Página 11
Universidad Andina del Cusco
Igualando las deformaciones por temperatura y las deformaciones por carga axial podemos obtener la magnitud de la fuerza de reacción y por ende los esfuerzos axiales generados por el cambio de temperatura.
L = PL/AE L = .t.L
deformaciones por carga axial deformaciones por temperatura Iguanlando ambas ecuaciones se puede calcular la fuerza axial equivalente debida a un cambio de longitud en la viga restringido.
2.4 Cargas por presión hidrostática y empuje de tierras Por la Ley de Pascal sabemos que la presión que ejerce un líquido sobre las paredes que lo contienen es proporcional a la profundidad y al peso específico del líquido contenido. Los suelos ejercen sobre las superficies una presión similar a los líquidos pero de menor magnitud. La presión se representa entonces como una carga triangular
Donde: γ: peso específico del líquido o del líquido equivalente que representa al suelo. γequivalente=ka. γsuelo, donde ka es menor que 1 h: altura
Mecanica Aplicada
Página 12
Universidad Andina del Cusco 3. COMBINACIÓN DE CARGAS O ESTADOS DE CARGA Los estados de carga se definen como las posibles cargas que se presentan durante la vida útil de la estructura. Existen estados de carga del uso normal de la estructura, cargas muertas y vigas; estados de carga temporales como aquellas de viento, sismo, o la misma construcción. El cómo combinar las cargas en un estado de cargas depende de estudios probabilísticas en los cuales se tiene en cuenta la probabilidad de ocurrencia simultanea de estas. Las normas estipulan unas combinaciones de carga básicas a tener en cuenta en el análisis. Ver B.2.3 de la NSR-98 D D+L D+L+E D+L+W D+L+T También debemos tener en cuenta, que dentro de un estado carga dado, existe la posibilidad de que la posición de la carga (en este caso viva) produzca efectos críticos en la estructura, inclusive mayores a los que si la carga se considere actuando en la totalidad de esta. Como ejemplo podemos ver en la siguiente viga que colocando la carga viva en diferentes posiciones y no en toda la luz podemos producir efectos máximos de momentos positivos en el centro de la luz.
4. MÉTODOS DE DISEÑO Sabemos que las cargas en sí son probabilísticas y su ocurrencia con otras también es de naturaleza variable. Esta condición sumada a la condición también probabilística de los materiales, métodos de análisis y de construcción hace que en el diseño existan incertidumbres. Es responsabilidad de los calculistas reducir estas incertidumbres y controlarlas de tal manera que el resultado final cumpla con su cometido (seguridad, funcionalidad y economía). Como protección a los bienes comunes se dio origen a las normas de construcción en las cuales se aceptan varios métodos de diseño: Los métodos de diseño se dividen en determinísticos y probabilísticos. Entre los determinísticos esta el método de esfuerzos de trabajo y el método de la rotura, y en probabilísticos tenemos el método de los estados límites.
Mecanica Aplicada
Página 13
Universidad Andina del Cusco Método esfuerzos de trabajo: Los esfuerzos calculados elásticamente no deben exceder de un valor límite especificado, en este caso se trabajan con factores de seguridad que reducen los esfuerzos de trabajo. Método de resistencia última o de la rotura: Se llevan los esfuerzos hasta la falla o rotura y se trabaja con cargas últimas o factoradas (cargas reales multiplicadas por factores de mayoración). Este método trabaja para los estados límites de resistencia considerando las solicitaciones últimas de un miembro estructural o de una estructura. Método de estados limite: trabaja con el criterio de que la probabilidad de falla para ciertos estados límites este dentro de valores aceptables. Este método tiene en cuenta el efecto probabilístico tanto de las cargas como de las propiedades de los materiales, y por lo tanto trabaja factorando las cargas y reduciendo las resistencias. Estado límite: Es una condición bajo la cual una estructura o uno de sus componentes deja de cumplir su función (estado límite de funcionamiento) o se vuelve inseguro (estado límite de resistencia). 5. CRITERIOS DE FALLA Una estructura falla cuando deja de cumplir su función. Esto puede ocurrir o por desmoronamiento de ella o una de sus partes o por deformación excesiva. La falla por deformación puede ser por deformación elástica (recupera su forma una vez quitada la carga) o por deformación permanente. Este caso representa aquellas estructuras que producen un sentimiento de inseguridad en el usuario y que por lo tanto dejan de ser funcionales. Las fallas por desmoronamiento parcial o total son aquellas producidas por inestabilidad o por falta de resistencia de los materiales.
Mecanica Aplicada
Página 14
Universidad Andina del Cusco ASCENSOR Un ascensor o elevador es un sistema de transporte vertical diseñado para movilizar personas o bienes entre diferentes niveles. Puede ser utilizado ya sea para ascender o descender en un edificio o una construcción subterránea. Se conforma con partes mecánicas, eléctricas y electrónicas que funcionan conjuntamente para lograr un medio seguro de movilidad. Se instalan fundamentalmente dos tipos, el ascensor electromecánico y el ascensor hidráulico, más propiamente llamado oleodinámico El ascensor consiste en un mecanismo de poleas de traccion que consta de una cabina, que se mueve a lo largo de carriles gia, de ascenso y descenso, de un contrapeso, que mueve a lo largo de carriles, una serie de cauerdas de elevación, en que la cabina y el contrapeso estan suspendidas. Y de una unidad de maquina, que incluye una polea de traccion, que traba las cuerdas de elavacion. Tiene un motor electrico q una vez accionado, mueve la polea, que hace q baja o sube el contrapeso y ascienda o descienda la cabina
Elementos constitutivos de un ascensor Cabina La cabina es el elemento importante del sistema de ascensores. Está formada por dos partes: el bastidor o chasis y la caja o cabina, o por una cabina autoportante. El bastidor se apoya en unas guias verticales. Contrapeso La mayoría de los ascensores tienen un contrapeso, que tiene una masa igual a la de la cabina, más la mitad de la carga máxima autorizada, por lo que el motor no tiene que mover toda la masa de la cabina, sino solo una fracción. Debido a ello, un ascensor vacio, pesa menos que el contrapeso. También esta conducido por unas guias. Su funcion nexactamente es equilibrar la carga para facilitar el trabajo del motor y no forzarlo demasiado al mover una determinada carga. Sistema de paracaídas En los extremos inferior o superior del bastidor de la cabina, según necesidades; se encuentra el sistema de paracaídas, ya sea instantáneo o progresivo. Este sistema libera unas cuñas contra las guías para frenar la cabina en caso de que baje a más velocidad de la permitida por el limitador de velocidad, impidiendo que la cabina pueda caer libremente incluso en el caso de que se partieran todos los cables que sujetan la cabina. En los ascensores de la actualidad y según normativa de cada país o región también frena en subida, es decir cuando la cabina sube. Mecanica Aplicada
Página 15
Universidad Andina del Cusco A veces también se instala un sistema de frenado en el contrapeso. Grupo tractor en los ascensores electro-dinámicos Los grupos tractores para ascensores están formados normalmente por un motor acoplado a un reductor de velocidad, en cuyo eje de salida va montada la polea acanalada que arrastra los cables por adherencia. Maniobras de control El control de los sistemas de ascensores funciona mediante sistemas electrónicos, encargados de hacer funcionar la dirección de movimiento de la cabina y de seleccionar los pisos en los que esta deba detenerse. En 1925, la compañía de ascensores Otis Elevator Company inventó el primer sistema de control con "memoria" para grupos de ascensores, lo que permitió su automatización y prescindir de los clásicos ascensoristas. Actualmente, los controles de ascensores funcionan con microprocesadores electrónicos que mediante algoritmos de inteligencia artificial determinan la forma de administrar la respuesta a los pedidos de llamadas coordinando los distintos equipos para trabajar en conjunto. También fue inventado por Otis Elevator Company en 1979.6 Los cuadros de maniobra actuales tienen un sistema de información de errores, que en caso de avería muestran en una pantalla el código de error de tal forma que el mecánico del ascensor sabe cual ha sido el motivo de que el ascensor se haya parado. Hay que tener en cuenta que un ascensor cuenta con múltiples dispositivos de seguridad para evitar cualquier riesgo de accidentes y en cuanto cualquier dispositivo falla el ascensor quedará automáticamente parado. Cualquier ascensor por antiguo que sea tiene contactos en las puertas exteriores, puertas de cabina, contacto de rotura de cables (actualmente ya no se montan), contacto de disparo de polea del limitador superior, contacto de aflojamiento de cable en polea de limitador inferior, contacto de acuñamiento en cabina, etc. En cuanto cualquiera de estos contactos falle el ascensor se parara indicando el contacto o dispositivo que ha fallado. Dispositivos de seguridad La seguridad del sistema es un elemento clave en los ascensores. Para maximizarla se emplean varios dispositivos específicos: Enclavamiento electromecánico de las puertas En el acceso a los pisos, que hace imposible la apertura de todas las puertas de acceso excepto la del piso en que se halla detenida la cabina. Todas las cerraduras, una en cada rellano, tienen un fleje o un brazo con una ruedita, que al ser oprimido permite el destrabe de la puerta, y sólo cuando está mecánicamente trabada mediante el gancho de doble uña, queda habilitada la Mecanica Aplicada
Página 16
Universidad Andina del Cusco parte eléctrica que permite el movimiento del ascensor. Hay dos tipos de mecanismos que permiten abrir las puertas exteriores cuando la cabina llega a planta. En los ascensores antiguos hay un elemento llamado electroleva que es el encargado de oprimir el fleje de la puerta del piso de destino. Esta electroleva es retráctil, es decir, viaja con la cabina retraído para no oprimir los flejes de cada piso por el que va pasando (lo que permitiría la apertura de cada una de las puertas y la detención del ascensor), por lo que sólo cuando el control de maniobras le indica mediante una señal eléctrica que la cabina se encuentra en la parada pertinente, la electroleva se expande y acciona el fleje de la puerta correspondiente. El proceso inverso se da cuando el ascensor es requerido desde otro sitio: la electroleva se retrae antes de la partida y sólo se expande al llegar a él. En los ascensores modernos hay otro tipo de mecanismos. Si las puertas exteriores son automáticas, es decir se abren por si mismas, una de las hojas de cabina lleva instalado un patín retráctil que abre la puerta exterior al mismo tiempo que abre la interior de la cabina. Si las puertas exteriores son manuales o semiautomáticas (las abre la persona que va a entrar en el ascensor y se cierran solas), las puertas de cabina incorporan un patín que empuja la polea de la cerradura para permitir abrir la puerta exterior. Paracaídas de rotura o desequilibrio de cables de tracción (a. electrodinámicos) Existen instantáneos y también progresivos, para ascensores de alta y media velocidad. Consiste en un sistema de palancas cuyo movimiento acciona unas cuñas o rodillos que se encuentran en una caja junto a las guías (caja de cuñas). Cuando se da la caída de la cabina o sobrepasa la velocidad nominal , las guías son mordidas por las cuñas o rodillos y se produce la detención de la cabina. Limitador de velocidad (a. electro-dinámicos) (gobernador de velocidad) Lo componen dos poleas, una instalada en el cuarto de máquinas y otra alineada verticalmente con la primera en el fondo del hueco. A través de ambas pasa un cable de acero cuyos extremos se vinculan, uno a un punto fijo del bastidor de la cabina, y otro a un sistema de palancas cuyo extremo se encuentra en la parte superior del bastidor. El cable acompaña a la cabina en todo momento y es absolutamente independiente de los cables de tracción, es decir, no interviene en la sujeción de la cabina y el contrapeso. En la polea superior del limitador se produce la detención brusca del cable cuando la velocidad de dicha polea (y por tanto la de la cabina) supera el 25% de la velocidad nominal. El cable limitador activa el sistema de palancas, llamado paracaídas. Asimismo incorpora un contacto eléctrico tanto en el mecanismo de acuñamiento de la cabina como en la polea superior que corta la serie principal para evitar que el motor siga funcionando una vez que la cabina ha quedado "clavada" a las guías mediante el mecanismo de acuñamiento. Este mecanismo fue patentado por ruben lorenzo curiel en 1853.
Mecanica Aplicada
Página 17
Universidad Andina del Cusco Finales de carrera Interrumpen la alimentación cuando la cabina rebasa los extremos en ascenso o en descenso. Dispositivo de parada de emergencia Interrumpe la maniobra, corta la alimentación del grupo tractor y actúa el freno. Permite la detención del ascensor dejando sin efecto los mandos de cabina y pisos. Normalmente deja bajar la cabina a la parada más baja. Si nos referimos al STOP o PARADA normalmente debe dejar parar la cabina en la parada siguiente tanto hacia arriba como abajo. Este sistema de emergencia también se puede denominar "Rescata-matic". En ascensores antiguos, la pulsación del botón de PARADA o STOP, producía una detención instantánea de la cabina, pudiendo el viajero quedar atrapado entre dos pisos sin posibilidad de salida. En los modelos actuales, este botón ha dejado de existir en los tableros de cabina, quedando únicamente el botón de alarma como dispositivo de emergencia en manos del usuario. Timbre de alarma Para que lo utilicen los pasajeros en caso de emergencia. En ocasiones está conectado a una línea de teléfono desde la que se puede solicitar asistencia en caso de quedar atrapado. funcionamiento: Cuando se produce un corte de suministro eléctrico, se enciende automáticamente el alumbrado de socorro en el interior de la cabina, la alarma electrónica continua en disposición de funcionamiento debido a su propia alimentación con acumuladores. Cuando se restablece el suministro, se apaga el alumbrado de socorro y el equipo inicia su recarga automáticamente. Luz de emergencia Ilumina la cabina en caso de que el alumbrado normal sea interrumpido. Debe existir una fuente de socorro, de recarga automática que sea capaz de alimentar al menos una lámpara de un vatio durante una hora, en el caso de interrupción de la corriente de alimentación del alumbrado normal. El alumbrado de emergencia debe conectarse automáticamente desde que falle el suministro del alumbrado normal. Sistema de pesacargas En los ascensores modernos suele instalarse un dispositivo llamado pesacargas. La función de este elemento es evitar que el ascensor mueva más peso del máximo permitido, evitando así el desgaste excesivo del grupo tractor y los frenos. Hay varios tipos de sistema de pesacargas y en la actualidad todos ellos son digitales, por lo que tienen una exactitud bastante elevada. En ascensores antiguos a los que quiera adaptarse un sistema de pesacargas, se suele emplear un sistema que consta de unos sensores que se adaptan en los cables de tracción y una centralita que recoge la información dada por los Mecanica Aplicada
Página 18
Universidad Andina del Cusco sensores. Esta centralita está conectada a su vez a la caja de revisión del ascensor, por lo que el cuadro de maniobra sabe en cada momento si el ascensor tiene más peso del permitido. En los ascensores nuevos, el sistema es parecido, pero los sensores se colocan entre el suelo de la cabina y el chasis, permitiendo una exactitud todavía mayor. Los cuadros de maniobra tienen 3 estados diferentes en lo que al pesacargas se refiere:
Normal: La cabina tiene menos peso del máximo permitido, por lo que todos los sistemas funcionarán normalmente. Completo: El ascensor ha llegado al peso máximo permitido, por lo que el cuadro de maniobra permitirá a la cabina hacer el viaje programado, pero no permitirá que nadie más entre en la cabina hasta que no baje uno de los pasajeros o carga. En caso de ascensores con maniobra selectiva (el ascensor va recogiendo pasajeros según suba o baje), no parará en ninguna planta hasta que el estado del pesacargas vuelva a estar en estado normal, es decir hasta que alguna persona o carga salga de la cabina. Exceso de carga: El ascensor no permitirá ningún viaje hasta que alguna persona o algún bulto salga de la cabina. En este caso suele haber una indicación luminosa y sonora que indica el estado de exceso de carga. Las puertas no se cerrarán y el ascensor no se moverá hasta que vuelva al estado normal. Mecanismos La construcción y característica de los grupos tractores y de los motores con que estos van equipados, varían según sea la velocidad nominal del ascensor y del servicio que deben prestar. Ascensor de Tracción Eléctrico Se le llama así al sistema en suspensión compuesto por un lado por una cabina, y por el otro por un contrapeso, a los cuales se les da un movimiento vertical mediante un motor eléctrico. Todo ello funciona con un sistema de guías verticales y consta de elementos de seguridad como el amortiguador situado en el foso (parte inferior del hueco del ascensor) y un limitador de velocidad mecánico, que detecta el exceso de velocidad de la cabina para activar el sistema de paracaídas, que automáticamente detiene el ascensor en el caso de que esto ocurra. El ascensor eléctrico es el más común para transporte de personas a baja y alta velocidad (superior a 0,8 m/s), elevadores con alta exigencia de comfort (hospitales, hoteles) o elevadores que sirven más de 6 pisos.
Mecanica Aplicada
Página 19
Universidad Andina del Cusco Una velocidad Los grupos tractores con motores de una velocidad, solo se utilizan para ascensores de velocidades no mayores de 0,7 m/s, por lo general eran colocados en ascensores de viviendas de 300 kgy 4 personas. Su nivel de parada es muy impreciso y varía mucho con la carga, incluso es distinto en subida como en bajada. En muchos países está prohibida su instalación para nuevos ascensores por su imprecisión en la parada. Dos velocidades Los grupos tractores de dos velocidades poseen motores trifásicos de polos conmutables, que funcionan a una velocidad rápida y otra lenta según la conexión de los polos. De esta manera se obtiene con una velocidad de nivelación baja un frenado con el mínimo de error (aproximadamente 10 mm de error) y un viaje más confortable. Estos grupos tractores en la actualidad están en retirada, ya que consumen demasiada energía y son algo ruidosos. Variación de frecuencia La aceleración en la arrancada y la deceleración antes de que actúe el freno se llevan a cabo mediante un variador de frecuencia acoplado al cuadro de maniobra. El freno actúa cuando el ascensor está prácticamente parado y se consigue así una nivelación y un confort que superan incluso los del sistema de dos velocidades. Ascensor hidráulico u oleodinámico En los ascensores hidráulicos el accionamiento se logra mediante un motor eléctrico acoplado a una bomba, que impulsa aceite a presión por unas válvulas de maniobra y seguridad, desde un depósito a un cilindro, cuyo pistón sostiene y empuja la cabina, para ascender. En el descenso se deja vaciar el pistón del aceite mediante una válvula con gran pérdida de carga para que se haga suavemente. De este modo el ascensor oleodinámico solamente consume energía en el ascenso. Por el contrario, la energía consumida en el ascenso es cuatro veces superior a la que consume el ascensor electro-mecánico, por lo que el resultado es que, por término medio, consumen más o menos el doble que éstos. Este tipo de ascensor, no tiene contrapeso. El grupo impulsor realiza las funciones del grupo tractor de los ascensores eléctricos, y el cilindro con su pistón la conversión de la energía del motor en movimiento. El fluido utilizado como transmisor del movimiento funciona en circuito abierto, por lo que la instalación necesita un depósito de aceite. La maquinaria y depósito de este tipo de ascensor pueden alojarse en cualquier lugar, situado a una distancia de hasta 12 m del hueco del mismo, con lo cual permite más posibilidades para instalar este ascensor en emplazamientos con limitación de espacio. Mecanica Aplicada
Página 20
Universidad Andina del Cusco Son los más seguros, más lentos y los que más energía consumen, aunque son los más indicados para instalar en edificios sin ascensor. Ascensor sin cuarto de máquinas Actualmente se está generalizando el ascensor eléctrico sin cuarto de máquinas o MRL (Machine Room Less). Las ventajas desde el punto de vista arquitectónico son claras: el volumen ocupado por la sala de máquinas de una ejecución tradicional desaparece, ahorrando los costes de la tradicional sala de máquinas, pudiendo ser aprovechada para otros fines o haciendo posible que se pueda llegar con el ascensor hasta la terraza o planta más alta donde anteriormente se situaba la sala de máquinas. En este tipo de ascensores se suelen utilizar motores gearless de imanes permanentes, accionados mediante una maniobra con control por variador de frecuencia, situados en la parte superior del hueco sobre una bancada directamente fijada a las guías, que están ancladas a cada forjado. Con ello, las cargas son transferidas al foso en lugar de transmitirse a las paredes del hueco, evitando así vibraciones y molestias a las viviendas adyacentes. Ascensores Twin (gemelos) La empresa alemana ThyssenKrupp Elevator es el primer fabricante de ascensores en inventar e implantar un sistema de dos cabinas viajando independientemente en un mismo hueco de ascensor. Gracias a un extraordinario trabajo de ingeniería y un avanzado sistema de control, con un concepto de alta seguridad, es posible que operen las dos cabinas de forma independiente, creándose inmensos beneficios potenciales para su uso en nuevas instalaciones y en modernizaciones de edificios. El corazón del sistema es un control de selección de destino, capaz de asignar de manera inteligente a cada ascensor las llamadas de los distintos pisos. Cuando un usuario llama a un ascensor desde el pasillo, antes de que el pasajero entre en el ascensor, recoge la información de la planta en la que está y de la planta a la que se dirige y le asigna el ascensor más adecuado para su trayecto. La principal ventaja de este sistema, es que incrementa la capacidad de transporte de los elevadores del edificio, utilizando un menor volumen de construcción y de espacio. Algoritmos de Maniobras Para lograr un funcionamiento más eficaz, los sistemas de ascensores poseen una memoria que almacena los pedidos de llamada y los atienden priorizando las peticiones que están en dirección al coche, según distintos algoritmos de funcionamiento: Colectiva Descendente Las botoneras colocadas en los pasillos de los pisos poseen un solo botón.
Mecanica Aplicada
Página 21
Universidad Andina del Cusco En subida: el ascensor va deteniéndose en todos los pisos marcados desde la cabina, pero no atiende ninguna llamada de piso, salvo la del piso más alto por encima del último registrado por los pasajeros. Una vez llegada la cabina al último piso cuya llamada haya sido registrada, y pasado un tiempo sin nuevos pedidos, el ascensor cambia de dirección. En bajada: el ascensor va deteniéndose en todos los pisos registrados en la cabina y también atiende los pedidos de llamada de los pisos, que supone son de bajada, hasta llegar al piso inferior que tenga un pedido de atención. En caso de que el ascensor disponga de dispositivo pesacargas el ascensor no parara en las plantas intermedias si la cabina tiene la carga completa Colectiva ascendente-descendente Las botoneras colocadas en los pasillos de los pisos poseen dos botones, uno para pedidos de subida y otro para bajada. En subida: el ascensor va deteniéndose en todos los pisos marcados desde la cabina y también en los pedidos de piso marcados como subida, pero no los de bajada. Al llegar al piso más alto por encima del último registrado por los pasajeros o desde los rellanos, y pasado un tiempo sin nuevos pedidos, el ascensor cambia de dirección. En bajada: el ascensor va deteniéndose en todos los pisos registrados en la cabina y también atiende los pedidos de llamada de los pisos en bajada pero no los de subida, hasta llegar al piso inferior que tenga un pedido de atención. Sistema de Coordinación Los modernos ascensores disponen de avanzados sistemas de inteligencia artificial con algoritmos lógicos que maximizan el rendimiento de los equipos coordinando las operaciones de cada uno, para lograr acelerar la atención de llamadas y aumentar la capacidad de transporte. Este modo de funcionamiento, llamado en batería, logra una máxima eficiencia mediante índices que calculan varias veces por segundo las circunstancias de funcionamiento en que se halla cada equipo, decidiendo cual de todos posee una situación más ventajosa frente al conjunto para atender el pedido de llamada. Los equipos de última generación emplean un microprocesador especialmente para realizar la tarea de coordinación, debido a la gran cantidad de variables y datos en tiempo real que tienen en cuenta los complejos algoritmos. Cómo se frena un elevador en caso de accidente En teoría un cuerpo que cayera de 443 m de altura se precipitaría a una velocidad de 320 km/h. Pero esos ascensores están dotados de mecanismos de seguridad. El perfeccionamiento de los ascensores modernos tuvo sus orígenes en 1854, cuando el ingeniero estadounidense Elisha Graves Otis instaló el primer mecanismo de seguridad en un elevador de carga, en la exposición del Palacio de Mecanica Aplicada
Página 22
Universidad Andina del Cusco Cristal en New York. Antes, los elevadores de ese tipo eran muy inseguros: sus cables se rompían con frecuencia y, en ocasiones se producían accidentes mortales Con cierto espíritu teatral, Otis hizo una demostración de su elevador: se subió en él, junto con cajas, barriles y demás cargas; luego ordenó que cortaran el cable. En los montacargas anteriores, esto hubiera sido mortal. Pero el mecanismo de seguridad funcionó y el elevador se detuvo inmediatamente. ¿El secreto de Otis? Un recio muelle fijado en la parte superior de la plataforma del elevador. Al subir la plataforma, el muelle se arqueaba y sus extremos no tenían contactos con los rieles guía que había en cada lado. Pero al cortar el cable, el muelle recuperaba su forma y sus extremos se trababan en los rieles evitando así el desplome. En 1857, Otis instaló el primer elevador de pasajeros, en un edificio de cinco pisos de Broadway, New York. La invención del elevador de seguridad fue un factor decisivo en la aparición de los rascacielos. Antes los edificios eran de un máximo de seis pisos, ya que la gente se oponía a subir demasiadas escaleras, por lo agotador. El elevador de pasajeros y las técnicas de construcción con estructuras de hierro, proporcionaron los medios para las edificaciones de gran altura. Los ascensores modernos no difieren en esencia del modelo Otis. Consisten en una cabina que se iza, mediante cables de acero, por dos rieles guía, y cuentan además con un mecanismo de seguridad que impide el desplome. Los cables salen de la cabina y van hasta una polea situada en la parte superior del cubo del elevador, y que es accionada por un motor. Los cables bajan por la fuerza de un contrapeso que corre por rieles guía. limitador de velocidad Un componente clave de la protección es el regulador de velocidad, que está unido por medio de un cable al dispositivo de seguridad montado debajo de la cabina del elevador. El regulador se sirve de la fuerza centrífuga. Debido a ésta, un sistema de pesas se mece. De excederse la velocidad fijada, las pesas activan un interruptor que corta la energía del motor. Así, la polea se frena y el elevador se detiene sin recurrir al mecanismo de seguridad.
Mecanica Aplicada
Página 23
Universidad Andina del Cusco
PRINCIPIOS BASICOS DEL FUNCIONAMIENTO DE UN ELEVADOR Al igual que muchas otras cosas, los ascensores no sólo han llegado a ser más grandes, más rápidos y más poderosos sino que también han obtenido muchos controles complejos que los principios fundamentales han sido “sumergidos” en montones de tubos electrónicos, transistores, luces, botones y enchufes.
La idea básica de cómo elevar y bajar un pequeño cuarto (el ascensor) es muy sencilla. Hay varios sistemas pero sólo hablaremos de dos. El más antiguo es el ascensor hidráulico, que consiste en un pistón —una barra redonda de acero— que gira en un cilindro ajustado construido en los cimientos del edificio bajo el pozo del ascensor. El ascensor está montado encima del pistón. Para subir simplemente se bombea agua en el fondo del cilindro, y para bajar se abre la válvula que permite que el agua vuelva al tanque de depósito.
Algunos edificios antiguos tienen todavía estos ascensores hidráulicos. Muchos son accionados por un cable de tracción que va del fondo a la parte superior del pozo del ascensor a través de un agujero en el techo. El ascensorista puede mover la cuerda hacia abajo o hacia arriba y por consiguiente abrir o cerrar las válvulas que controlan la corriente de agua al cilindro.
Mecanica Aplicada
Página 24
Universidad Andina del Cusco
Hay varias desventajas en este sistema. El pistón y el cilindro deben tener la misma longitud de la altura hasta el piso superior. Un ascensor del edificio Empire State podría tener problemas si el cilindro tuviera que descender la misma altura del edificio dentro de la roca de Manhattan. Otra desventaja consiste en que la velocidad del ascensor hidráulico está limitada por la velocidad máxima del agua que fluye a través de las válvulas, tubos, etc. Esto equivale a la velocidad de un piso por segundo, lo cual es muy lento para los tiempos modernos y edificios altos.
La alternativa es el ascensor eléctrico. En este sistema el carro está suspendido de un conjunto de cables metálicos. Estos suben al cobertizo donde se envuelven en una polea de garganta (llamada roldana) y bajan a un montón de pesas que equilibran el peso del carro cuando está lleno menos de la mital (el promedio de carga de un ascensor es un 40%).
La roldana está montada en el eje de un motor eléctrico pesado y de movimiento lento, accionado por un generador eléctrico. (La corriente alterna no es tan buena como la continua para regular la velocidad, por tanto un motor de ca acciona un generador cc que da energía a un motor sustentador cc). Este sistema interpone un suministro de energía eléctrica entre la corriente de línea y el motor sustentador, y el control del suministro de energía provee un medio conveniente para variar la velocidad y la posición del ascensor.
Un freno de servicio fuerte está montado en el eje del principal motor sustentador a fin de que en el caso de un accidente o mal funcionamiento del sistema de control, el freno agarre el eje y sostenga el carro del ascensor. Si el lector se ha visto “atascado” en un ascensor, sabrá lo que ésto significa. Un mal funcionamiento en algún sitio de la línea le ha indicado al freno que debe agarrar, y así lo ha hecho. No lo liberará hasta que el problema haya sido corregido y se haya asegurado que el sistema de seguridad está otra vez bien.
El ascensor se desliza sobre montantes colocados en cualquiera de los lados del eje para evitar que oscile. Varios enchufes de tipo polea están añadidos al carro para que sean desenganchados cuando el carro se acerque al nivel de un piso determinado. Usualmente,
Mecanica Aplicada
Página 25
Universidad Andina del Cusco el carro toca un enchufe que reduce la velocidad: luego, cuando el carro está muy cerca del punto de parada un segundo enchufe indica la parada al motor del cobertizo.
Los controles son cada vez más complejos. Este aparato hizo posible la operación completa por medio de botones. En muchos edificios de apartamentos, los pasajeros presionan un botón de sus correspondientes pisos. El ascensor se detiene en cada piso para recoger o dejar pasajeros. El botón, sea en el ascensor o en el piso, indicará al ascensor que pare (si el botón de subida es empujado) o baje (si el botón empujado es de bajada). Este sistema se amplió con más de un carro; y si un carro se detiene en un piso determinado los otros carros ignoran la señal.
Actualmente los ascensores automáticos más avanzados son verdaderas máquinas “pensantes” al igual que cabinas elevadoras. Ni los ascensoristas ni los empleados tienen nada que ver con el regulador o controlador, el cual envía toda una serie de carros hacia arriba o abajo según sea la necesidad, la hora del día y el tráfico. Por ejemplo, los carros pueden ser controlados para que bajen tan pronto como lleguen al último piso señalado o enviados automáticamente a un solo sitio cuando el tráfico de “una vía” sea pesado. En este sistema la mitad de los ascensores hacen el servicio de la mitad superior del edificio, convirtiéndose en expresos al primer piso después de llegar al nivel de otro piso intermedio; la otra mitad de los ascensores sube solamente hasta dicho piso intermedio
Mecanica Aplicada
Página 26
Universidad Andina del Cusco
.
Mecanica Aplicada
Página 27
Universidad Andina del Cusco CONCLUSIONES
Es un invento que aporta mucho bien y progreso a la humanidad pero no a costa de la naturaleza o los valores humanos o cristianos. Es un invento dedicados a las personas para que si calidad de vida mejore y que abre la mente a nuevas formas de vivir como en ciudades tan altas Las estructuras son conjuntos de elementos unidos entre sí, que están destinados a soportar día a día las fuerzas sobre y oponen una resistencia para una mayor duración y mejor calidad de vida de las personas que habían en ella
Mecanica Aplicada
Página 28
Universidad Andina del Cusco
BLIBLIOGRAFIA
Diccionario Larousse Ilustrado
Encarta 99
Tecnología Industrial, 2º Bachillerato; Edit. Mc Graw Hill
Tecnología, 2º ciclo; Edit. Bruño
Páginas Web
Mecanica Aplicada
Página 29