UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
“Diseño de un semirremolque plataforma tridem en acero de alta resistenciaempleando herramientas computacionales, para optimizar la capacidad de carga en la empresa FAMECA S.A.C.”
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO MECÁNICO
AUTOR: Br. Luis Miguel Angelo Rodríguez Pérez
ASESOR: Mg. Eduardo Fausto Azabache Vásquez
TRUJILLO – PERU
II
DEDICATORIAS
A mi padre Miguel, por ser la persona que me ha guiado y educado en cada etapa de mi vida, por ser un hombre de bien y referente que motiva mi desarrollo profesional, celebrando mis logros y comprendiendo mis desaciertos.
A mi familia, por el gran amor y comprensión que me brindan. Cada una significa para mí, un ejemplo de superación y lucha constante por ser cada día mejor.
III
PRESENTACIÓN
Señores miembros del jurado:
De conformidad con las disposiciones establecidas en el Reglamento de
Grados y Títulos de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Nacional de Trujillo, me es grato presentar a vuestra
consideración el presente trabajo de tesis titulado:
“DISEÑO DE UN SEMIRREMOLQUE PLATAFORMA TRIDEM EN ACERO
DE ALTA RESISTENCIA EMPLEANDO HERRAMIENTAS
COMPUTACIONALES, PARA OPTIMIZAR LA CAPACIDAD DE CARGA EN LA EMPRESA FAMECA S.A.C.’’ Con la finalidad de poder obtener el Título de Ingeniero Mecánico.
El presente trabajo se realizó con la finalidad de optimizar el diseño de un
semirremolque plataforma para el transporte de carga pesada que se fabrica
actualmente en la empresa, utilizando aceros de alta resistencia y
herramientas computacionales para los cálculos. Logrando obtener un diseño
más ligero, con un mejor factor de seguridad y una mayor capacidad de carga
útil. El trabajo fue desarrollado en una empresa local, del sector metalmecánico, Fabricaciones Metálicas Carranza S.A.C – FAMECA S.A.C.,
a su vez fue desarrollado también con las limitaciones propias de las reservas
que guarda la empresa, así como de las circunstancias actuales de la misma.
Es mi deseo que los resultados, conclusiones y recomendaciones obtenidas
en el presente estudio permitan ampliar los conocimientos en el área
respectiva, tanto en los estudiantes de Pregrado, como en los profesionales
IV
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por guiarme y acompañarme en cada paso de mi vida dándome la
fuerza para continuar y alcanzar mis objetivos.
A mi padre, por estar siempre a mi lado brindándome su apoyo constante e
incondicional.
Al Mg. Eduardo Azabache, por su asesoría en el desarrollo de este trabajo.
A la empresa Fabricaciones Metálicas Carranza S.A.C. por brindarme la
V
RESUMEN
El presente proyecto de investigación afronta como principal problemática la
necesidad de aumentar la carga útil de un semirremolque plataforma tridem,
sin por ello tener que aumentar su peso y sus costos. Así, se definió como
objetivo general diseñar un semirremolque plataforma tridem de mayor
capacidad de carga útil, con acero de alta resistencia y con un menor peso,
para lo cual se hizo uso de un software especializado en diseño mecánico, en
el que se realizaron diversas simulaciones bajo condiciones normales de
servicio y se calcularon los esfuerzos y deformaciones máximos.
Como principal resultado, se obtuvo el diseño de un semirremolque plataforma
tridem con un peso de poco más de 6 toneladas y una carga útil de poco más
de 38,000 kg, lo que significa que puede soportar más de 6 veces su peso.
Asimismo, se consiguió una reducción del 13% de su peso neto y un aumento
del 2.5% de su carga útil.
Finalmente, se observó que los resultados obtenidos por el software, tanto en
deformación máxima, así como también en esfuerzos de Von-Mises para el
diseño mejorado, estaban dentro de los márgenes permitidos.
Palabras clave: Semirremolque plataforma tridem, diseño mecánico,
VI
ABSTRACT
This research project gets against as principal trouble the need of to increase
the useful load of a tridem platform half trailer without to have to increase its
weight and its costs. Like this, it was defined like general objective to design a
tridem platform half trailer with a higher capacity of useful load, with a high
resistance steel and a lower weight, for which it was used a specialized
software in mechanical design, in which it were realized to many simulations
under normal work conditions, and it were calculated the maximum stress and
deformations.
As principal result, it was obtained a design of a platform half trailer with a
weight a little higher of 6 ton and a useful load of a little higher of 38 ton, which
means that it can support more than six times its weight. Also, it was achieved
a reduction of 13% in its weight and an increase of the 2.5% in the useful load.
Finally, it was observed that the results obtained by the software, both in
maximum deformation, as well as in Von-Mises efforts for the optimized
design, were within the allowable margins.
VII
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIAS ... II
PRESENTACIÓN ... III
AGRADECIMIENTOS ... IV
RESUMEN ... V
ABSTRACT ... VI
ÍNDICE GENERAL ... VII
ÍNDICE DE TABLAS ... IX
ÍNDICE DE FIGURAS ... X
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA ... 1
1.2. ENUNCIADO DEL PROBLEMA ... 5
1.3. HIPOTESIS... 5
1.4. JUSTIFICACION ... 5
1.5. OBJETIVOS ... 7
1.5.1. Objetivo general ... 7
1.5.2. Objetivos específicos ... 8
1.6. LIMITACIONES ... 8
CAPÍTULO II FUNDAMENTOS TEÓRICOS ... 9
2.1. ANTECEDENTES ... 9
2.1.1. Ámbito internacional ... 9
2.1.2. Ámbito nacional ... 11
2.2. TEORÍAS QUE SUSTENTAN EL TRABAJO ... 12
2.2.1. Diseño en ingeniería mecánica ... 12
2.2.2. Análisis de cargas y esfuerzos ... 17
2.2.3. Teoría de Elementos Finitos. ... 21
2.2.4. Análisis Estructural ... 24
2.2.5. El acero y sus características ... 27
VIII
CAPÍTULO III MATERIALES Y MÉTODOS ... 43
3.1. MATERIAL ... 43
3.2. MÉTODOS ... 43
3.3. TÉCNICAS ... 44
3.4. PROCEDIMIENTO ... 44
CAPÍTULO IV RESULTADOS ... 46
4.1. Características técnicas del acero STRENX 700 ... 46
4.2. Descripción de sistema de carga de semirremolque plataforma tridem. ... 47
4.3. Configuraciones de estructuras de semirremolques. ... 49
4.3.1. Vehículo Tractor ... 49
4.3.2. Semirremolque actual CST ... 51
4.3.3. Semirremolque optimizado STX ... 56
4.4. Determinación de parámetros de diseño de semirremolques plataforma. ... 61
4.5. Condiciones de servicio y características físicas mediante software. ... 63
4.5.1. Resultados de vigas CST ... 63
4.5.2. Resultados de plataforma CST ... 69
4.5.3. Resultados de vigas STX ... 75
4.5.4. Resultados de plataforma STX ... 81
4.5.5. Resumen de Resultados ... 88
CAPÍTULO V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 89
CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 90
6.1. CONCLUSIONES ... 90
6.2. RECOMENDACIONES ... 91
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 92
ANEXOS ... 97
Anexo I. Planos ... 97
Anexo II. Fichas técnicas ... 102
IX
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades mecánicas del STRENX 700 ... 46
Tabla 2. Propiedades de impacto. ... 46
Tabla 3. Composición química. ... 46
Tabla 4. Pesos y capacidades admisibles de Vehiculo Freightliner M2 112 6x4. ... 49
Tabla 5. Pesos del semirremolque analizado. ... 50
Tabla 6. Principales pesos del vehículo. ... 51
Tabla 7. Pesos por partes de semirremolque CST. ... 52
Tabla 8. Principales cargas y reacciones en semirremolque. ... 54
Tabla 9. Peso por partes de semirremolque mejorado. ... 57
X
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. A) Diagrama de cuerpo libre de una viga. B) Resultante de fuerza
cortante y momento flexionante. ... 18
Figura 2. A) Esfuero tridimensional. B) Esfuerzo bidimensional ... 19
Figura 3. Ejemplo de elementos, nodos y malla. ... 22
Figura 4. Simulación en software Simulation Mechanical 2018. ... 24
Figura 5. Soldadura de acero strenx 700. ... 31
Figura 6. Ensayo de tracción. ... 31
Figura 7. Esquema de principales fuerzas que afectan el consumo de combustible de un semirremolque. ... 32
Figura 8. Semirremolque plataforma. ... 36
Figura 9. Semirremolque portacontenedor. ... 36
Figura 10. Semirremolque de caja abierta. ... 37
Figura 11. Semirremolque de caja cerrada. ... 37
Figura 12. Semirremolque basculante o volquete. ... 38
Figura 13. Semirremolque tipo jaula. ... 39
Figura 14. Semirremolque porta-vehículos. ... 39
Figura 15. Semirremolque cisterna. ... 40
Figura 16. Sistema de suspensión de semirremolque. ... 40
Figura 17. Sistema de suspensión neumática. ... 41
Figura 18. Dimensiones generales de semirremolque plataforma tridem. ... 48
Figura 19. Diagrama de cuerpo libre del tracto Freightliner M2 112 6x4. .... 50
Figura 20. Distribución de cargas del tracto Freightliner M2 112 6x4. ... 51
Figura 21. Diagrama de cuerpo libre de semirremolque CST. ... 53
Figura 22. Fuerzas actuantes en semirremolque CST. ... 54
Figura 23. Distribución de cargas en semirremolque CST. ... 55
Figura 24. Diagrama de cuerpo libre de semirremolque STX. ... 58
Figura 25. Fuerzas actuantes en semirremolque STX. ... 59
XI Figura 27. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para SV Vigas CST (Vista 1). ... 64
Figura 28. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para SV Vigas CST (Vista 2). ... 64
Figura 29. Cálculo de deformación máxima para SV Vigas CST (Vista 1). . 65
Figura 30. Cálculo de deformación máxima para SV Vigas CST (Vista 2). . 65
Figura 31. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AL Vigas CST (Vista 1). ... 66
Figura 32. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AL Vigas CST (Vista 2). ... 66
Figura 33. Cálculo de deformación máxima para AL Vigas CST (Vista 1). .. 67
Figura 34. Cálculo de deformación máxima para AL Vigas CST (Vista 2). .. 67
Figura 35. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AF Vigas CST (Vista 1). ... 68
Figura 36. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AF Vigas CST (Vista 2). ... 68
Figura 37. Cálculo de deformación máxima para AF Vigas CST (Vista 1). .. 69
Figura 38. Cálculo de deformación máxima para AF Vigas CST (Vista 2). .. 69
Figura 39. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para SV Plataforma CST (Vista 1).
... 70
Figura 40. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para SV Plataforma CST (Vista 2).
... 70
Figura 41. Cálculo de deformación máxima para SV Plataforma CST (Vista 1).
... 71
Figura 42. Cálculo de deformación máxima para SV Plataforma CST (Vista 2).
... 71
Figura 43. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AL Plataforma CST (Vista 1).
... 72
Figura 44. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AL Plataforma CST (Vista 2).
... 72
Figura 45. Cálculo de deformación máxima para AL Plataforma CST (Vista 1).
... 73
Figura 46. Cálculo de deformación máxima para AL Plataforma CST (Vista 2).
... 73
Figura 47. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AF Plataforma CST (Vista 1).
XII Figura 48. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AF Plataforma CST (Vista 2).
... 74
Figura 49. Cálculo de deformación máxima para AF Plataforma CST (Vista 1).
... 75
Figura 50. Cálculo de deformación máxima para AF Plataforma CST (Vista 2).
... 75
Figura 51. Cálculo de esfuerzos Von-Mises para SV Vigas STX (Vista 1). . 76
Figura 52. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para SV Vigas STX (Vista 2). ... 76
Figura 53. Cálculo de deformación máxima para SV Vigas STX (Vista 1). .. 77
Figura 54. Cálculo de deformación máxima para SV Vigas STX (Vista 2). .. 77
Figura 55. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AL Vigas STX (Vista 1). .... 78
Figura 56. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AL Vigas STX (Vista 2). .... 78
Figura 57. Cálculo de deformación máxima para AL Vigas STX (Vista 1). .. 79
Figura 58. Cálculo de deformación máxima para AL Vigas STX (Vista 2). .. 79
Figura 59. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AF Vigas STX (Vista 1). ... 80
Figura 60. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AF Vigas STX (Vista 2). ... 80
Figura 61. Cálculo de deformación máxima para AF Vigas STX (Vista 1). .. 81
Figura 62. Cálculo de deformación máxima para AF Vigas STX (Vista 2). .. 81
Figura 63. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para SV Plataforma STX (Vista 1).
... 82
Figura 64. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para SV Plataforma STX (Vista 2).
... 82
Figura 65. Cálculo de deformación máxima para SV Plataforma STX (Vista 1).
... 83
Figura 66. Cálculo de deformación máxima para SV Plataforma STX (Vista 2).
... 83
Figura 67. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AL Plataforma STX (Vista 1).
... 84
Figura 68. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AL Plataforma STX (Vista 2).
XIII Figura 69. Cálculo de deformación máxima para AL Plataforma STX (Vista 1).
... 85
Figura 70. Cálculo de deformación máxima para AL Plataforma STX (Vista 2).
... 85
Figura 71. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AF Plataforma STX (Vista 1).
... 86
Figura 72. Cálculo de esfuerzo Von-Mises para AF Plataforma STX (Vista 2).
... 86
Figura 73. Cálculo de deformación máxima para AF Plataforma STX (Vista 1).
... 87
Figura 74. Cálculo de deformación máxima para AF Plataforma STX (Vista 2).
1
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA
Desde mediados del siglo XX el sector transporte ha crecido de manera
continua y ha aportado en gran medida al empleo y a la economía
europea (Unión Europea, 2014). De hecho, el transporte representa el
4.5% de su PBI; y en lo que se refiere al transporte de mercancías, el
uso de camiones representa la mitad del tonelaje trasladado.
La Unión Europea (2014) enfoca la investigación en el sector transportes
a la generación de vehículos eficientes que ayuden a consumir una
menor cantidad de combustible y, por lo tanto, reducir las emisiones de
gases de efecto invernadero, contribuyendo a la protección del medio
ambiente. Hay que tener presente que el transporte por carretera genera
casi el 70% de todas las emisiones de CO2 atribuidas al sector en
cuestión, y que, para lograr los objetivos trazados en el marco del cambio
climático, se deben reducir en 60% dichas emisiones en los próximos 30
años. Para las ciudades de Latinoamérica, las emisiones de CO2
crecerán en un 35% al año 2050 si no se mejora la oferta del transporte
(Nieto, 2017).
Otro punto que destaca la Unión Europea (2014) es la necesidad de
reducir los atascos en las carreteras, produciendo sistemas de
transportes más eficientes y apoyados en procedimientos logísticos.
Por su parte, el Banco Mundial también considera al transporte como
fundamental para el mejoramiento económico de los países, reducción
de la pobreza y para poder cumplir con las metas trazadas de desarrollo
del milenio (Banco Mundial, 2014). En este sentido, se requiere ejecutar
2 ya hoy en día existen 1000 millones de personas que no tienen acceso
a un servicio de transporte adecuado, esta cifra irá en aumento ya que
se proyecta que al año 2050 la cifra de vehículos se duplicará (Banco
Mundial, 2017). Asimismo, hay que prever que los daños ambientales,
que ya son existentes, pueden agravarse, pues actualmente el sector
transporte consume el 64% de petróleo a nivel mundial y, además,
consume el 27% de la energía. Dicho impacto ambiental provoca 185 mil
muertes directas al año.
En este contexto, el Banco Mundial ha impulsado varios grandes
proyectos como, por ejemplo: Proyecto de Facilitación del Comercio y el
Transporte, ejecutado entre el 2007 y el 2012 con una inversión de US$
20 millones, y que abarcó a Macedonia y Europa sudoriental, países en
los que se mejoró el sector de transporte de carga. Por ejemplo, se
disminuyó la duración del atasco vehicular en 75% a la entrada del cruce
fronterizo y en 84% a la salida (Banco Mundial, 2014).
En Argentina se desarrolló un proyecto de Seguridad Vial mediante el
fortalecimiento institucional del sector Transportes, llegando a reducir el
número de víctimas mortales por accidentes de transporte en 12.5%,
entre los años 2008 y 2011. Las políticas ambientales para el sector
transporte también es prioridad para el Banco Mundial. En México, por
ejemplo, se ha propuesto reducir la cantidad emitida de CO2 a la
atmósfera en 1.96 millones de toneladas por año desde el 2017 (Banco
Mundial, 2014).
Al ser el transporte un fuerte aliado de la competitividad comercial,
resulta lógico que los países con mejores índices de desempeño en
transporte son: Hong Kong, Estados Unidos, Singapur, China, Suecia,
España, Japón, Bélgica, Dinamarca y Canadá. En cuanto a
Latinoamérica, los mejores países en materia de transporte son Brasil,
3 En los últimos años el Perú ha vivido períodos de desarrollo económico
continuo, lo que se evidencia en una mayor dinámica comercial a nivel
nacional y que implica un aumento del flujo vehicular para el transporte
de altos volúmenes de mercancías. Al año 2017, como dato de apoyo,
el subsector de Transporte creció en un 1.72% (Instituto Nacional de
Estadística e Informática, 2017).
Asimismo, el sector transporte crece “de la mano” con el PBI del Perú
desde el año 2001, y además conlleva en el futuro cercano grandes
retos, principalmente en lo que respecta a la logística y el cuidado del
medio ambiente (Ministerio de Comercio Exterior y Turismo, 2015).
Por su parte, la Unión Nacional de Transportistas en un reporte
periodístico de este año menciona que desde inicios de este nuevo
milenio han ingresado 100,000 unidades vehiculares al parque
automotor destinado al transporte de carga (Marchese, 2018).
Con esta situación actual, se hace necesario tener nuevos sistemas de
transporte de carga, como lo serían las unidades de semirremolques que
tuvieran mayores capacidades sin que aumenten sus costos, y que
cumplan con los respectivos estándares y normas tanto nacionales como
internacionales. Sin embargo, no se cuentan con suficientes nuevos
diseños al respecto; y los que existen, no son eficientes analizando sus
dimensiones y la relación carga/peso, lo que se traduce en altos costos
para las empresas involucradas. Al limitarse la carga útil de un
semirremolque, se obliga a aumentar el número de unidades vehiculares
para un solo traslado, multiplicándose los costos por el mayor consumo
de combustible. Otra consecuencia es la generación de mayores
impactos ambientales negativos, además del pago a conductores
adicionales, pago de peajes, entre otros gastos directos e indirectos.
Asimismo, al tener semirremolques con un elevado peso, se deterioran
4 por donde se transportan. Otra consecuencia del elevado peso de un
semirremolque es el alto consumo de combustible, con las implicancias
económicas y ambientales que conlleva.
Un óptimo sistema de semirremolque depende del material empleado y,
actualmente, se tienen semirremolques con materiales que constituyen
una estructura resistente pero pesada. Se requiere, entonces, estudiar e
implementar nuevos tipos de acero estructural, de mayor resistencia, y
que sean factibles de constituir semirremolques más livianos.
Estos sistemas de carga de baja eficiencia se deben al poco
conocimiento que se tiene en técnicas de diseño y optimización, y
específicamente, en las técnicas computacionales, pudiendo aprovechar
algún software orientado a ejecutar simulaciones para diseños
mecánicos. Los diseños existentes en el Perú, pertenecientes a diversas
empresas metalmecánica, no tienen una buena base teórica. Se utilizan métodos muy empíricos, es decir, sujetos a “prueba y error”.
Este problema no es ajeno a la empresa FAMECA S.A.C. Por un lado,
sus productos cumplen con los requerimientos que exige la ley y el
cliente, tanto en resistencia como en tiempos de entrega; sin embargo,
se puede apreciar que durante el tiempo que lleva ofreciendo sus
servicios, la empresa ha mantenido una estructura estándar de
semirremolques plataforma para poder mantener un proceso de
fabricación invariable de este tipo de estructuras. Esta idea de seguir
utilizando un prototipo de semirremolque plataforma antiguo cierra las
puertas al ingreso de la innovación en el diseño, manteniendo
estructuras pesadas y disminuyendo la competitividad de la empresa,
problema que se refleja en el bajo número de ventas de este tipo de
estructuras frente a las demás empresas competidoras del sector.
Ante esta problemática, surge la necesidad de optimizar la carga de los
5 nuevo diseño que emplee acero estructural de alta resistencia (HSS)
STRENX 700 principalmente y también el acero A36 para los perfiles que
no estén sometidos a grandes cargas, conformando una estructura final
más liviana, de tal forma que puedan aumentar su capacidad de carga
útil sin sobrepasar el máximo permitido aprovechando las bonificaciones
del Reglamento Nacional de Vehículos de acuerdo al D.S. N°-058-2003
MTC, y que consuman una menor cantidad de combustible en viaje
vacío.
1.2. ENUNCIADO DEL PROBLEMA
¿Cómo se puede aumentar la carga útil de un semirremolque plataforma
tridem (de tres ejes) de la empresa FAMECA S.A.C., sin la necesidad de
aumentar su peso?
1.3. HIPOTESIS
Mediante el desarrollo de un óptimo modelo empleando el método de
elementos finitos asistido por software se puede establecer una
estructura de acero de alta resistencia, donde se incluye el STRENX 700
y el A36, para un semirremolque plataforma tridem, haciéndolo más
liviana y aumentando su carga útil.
1.4. JUSTIFICACION
1.4.1. Justificación teórica
La investigación realizada ayudó a determinar un procedimiento para
diseñar sistemas de transporte de carga, específicamente
semirremolques plataformas de tres ejes (tridem), utilizando el método
de elementos finitos como herramienta computacional avanzada para el
cálculo. Además, se fortalecieron los conocimientos sobre el rendimiento
6 de aplicaciones industriales. Por último, durante el desarrollo de la tesis
se estudiaron técnicas de optimización orientadas al diseño mecánico.
1.4.2. Justificación económica
El uso de herramientas computacionales disminuye los costos de las
empresas fabricantes para obtener sus nuevos diseños, pues no
emplean prototipos ni métodos destructivos.
Por otro lado, un semirremolque optimizado implica que su peso no
aumentó significativamente al igual que su costo de fabricación.
Asimismo, al mantener un bajo peso, el gasto por consumo de
combustible sería bajo también y no habría deterioro en su estructura, lo
que no afectaría al gasto por mantenimiento. Al obtener un aumento de
la carga útil, es factible transportar una mayor cantidad de mercancía, lo
que conlleva un mayor intercambio comercial, y que no sería necesario
utilizar semirremolques adicionales para un mismo traslado.
De actualizar gran parte del parque automotor relacionado al transporte
de carga con remolques y semirremolques más livianos, se reduciría el
deterioro de las carreteras y pistas a través de las cuales circulan,
disminuyendo los gastos por mantenimiento de vías.
El valor agregado por la innovación planteada proporciona a la vez un
valor monetario a la empresa FAMECA S.A.C., mejorando su
rentabilidad económica.
1.4.3. Justificación ambiental
Un semirremolque menos pesado significa que consumiría menos
combustible, lo que significa menores emisiones de CO2 y de otros
gases de efecto invernadero, que conlleva un menor impacto ambiental
7 Optimizando la estructura del semirremolque se emplearía una menor
cantidad de material para su posterior fabricación, reduciendo los
impactos ambientales negativos propios de su obtención y producción.
Empleando herramientas computacionales y software especializados en
simulación, se elimina la necesidad de ejecutar ensayos destructivos y
sus consecuencias ambientales (consumo de combustible, uso de
insumos químicos, altos índices de ruido, etc.)
1.4.4. Justificación tecnológica
En el mediano plazo, se introduciría en el mercado un nuevo sistema de
transporte de carga, de mayor eficiencia: mayor carga útil con un menor
peso.
Por otro lado, los métodos empleados en este trabajo se podrán extender
a otros sistemas de carga, con nuevos diseños y nueva maquinaria.
FAMECA S.A.C. se pone a un paso adelante en relación a otras
empresas del sector, siendo más competitivo e innovador.
El uso del método de elementos finitos y otras herramientas
computacionales se harán más conocidos y mejor aprovechados por
investigadores y otras empresas.
1.5. OBJETIVOS
1.5.1. Objetivo general
Obtener el diseño de un semirremolque plataforma TRIDEM de
mayor capacidad de carga útil, con acero de alta resistencia y con
8
1.5.2. Objetivos específicos
Describir detalladamente el sistema de carga del semirremolque plataforma tridem: funcionamiento, materiales
más usados, puntos críticos, posibles fallas, cargas, etc.
Analizar las características y propiedades físicas de aceros de
alta resistencia, especialmente el acero STRENX 700 y el
acero A36.
Determinar la metodología para el diseño de un semirremolque plataforma empleando un software de
simulación como herramienta computacional y la teoría de
elementos finitos.
Establecer diferentes configuraciones para la estructura del semirremolque en función a la cantidad, disposición y
dimensionamiento de los elementos mecánicos.
Describir las condiciones de servicio y características físicas de las estructuras utilizando los softwares especializados.
Analizar los resultados del modelo numérico, basado en el Método de Elementos Finitos, con resultados de la
metodología analítica.
.
1.6. LIMITACIONES
No hay estudios profundos sobre nuevos diseños de semirremolques
plataforma tridem en el Perú, por lo que, a nivel nacional, no se cuenta
9
CAPÍTULO II
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1. ANTECEDENTES
2.1.1. Ámbito internacional
Guzmán (2016), en su trabajo de fin de grado sobre el diseño de un
semirremolque en la Universidad de Jaén (España), de tipo aplicado y
descriptivo propositivo, utiliza como metodología diversas simulaciones
en el software Solidworks para diseñar un semirremolque caja cerrada
de tres ejes, y logró obtener un diseño de semirremolque con un precio
no muy superior a otros modelos del mercado. Los resultados obtenidos
a partir de la ejecución del método de elementos finitos se comparan con
los obtenidos del método analítico: teoría de vigas y pórticos, ejecutando
un programa en Excel donde se calculan momentos flectores, esfuerzos
cortantes, etc. El diseño se realiza mediante cálculos analíticos de forma
estática. Ambos métodos, analítico y numérico, dieron resultados
similares, por lo tanto, la investigación tiene un bajo porcentaje de error
entre uno y otro método.
El aporte de esta tesis será el de brindar una metodología de diseño tanto para el modelo analítico como para el numérico que, aunque no se trata de una plataforma, es una información útil.
Unger (2014) en su proyecto final sobre la optimización del
semirremolque perteneciente a una empresa, del Instituto Tecnológico
de Buenos Aires (Argentina)plantea como objetivo reducir el peso final
de la estructura, y a la vez, aumentar la carga útil o disminuir el gasto de
combustible. Logró disminuir en un 16% la masa de un semirremolque
10 como material el acero MLC420. También se utilizaron ensayos
experimentales de distribución y torsión. Es un trabajo de tipo aplicado y
descriptivo propositivo.
Este trabajo es útil pues brindará información de técnicas de optimización de un semirremolque, empleando el método de Elementos Finitos: dibujo, mallado, condiciones de trabajo, modelos, etc.
Sotomayor & Padilla (2013) en su tesis sobre el diseño de un
semirremolque plataforma apoyado en dos softwares especializados, de
la Escuela Superior Politécnica del Litoral (Guayaquil, Ecuador), logra
validar el método de Elementos Finitos para la determinación de
deformaciones y esfuerzos en los componentes de este tipo de
estructuras, por ende, se enmarca en un trabajo de tipo descriptivo
propositivo y aplicado. El método de los Elementos Finitos consiste en
dividir en partes pequeñas la geometría objeto de estudio y resolver en
cada una de esas partes las ecuaciones de resistencia de materiales y
análisis estructural. Asimismo, concluye que el software SAP2000
presenta mejores herramientas para el análisis de resultados.
Este trabajo brindará información sobre el uso del método de Elementos Finitos para el análisis estructural y diseño de semirremolques. Este trabajo es más enfocado al tipo plataforma, por lo tanto, tendrá un mayor aporte.
Henao & Pérez (2010), en su trabajo sobre el análisis estructural del
chasis de un trailer, de la Universidad Eafit (Medellín, Colombia) tiene como objetivo estudiar los puntos críticos de un tráiler tipo grillo. Como
metodología, concierne a un tipo descriptivo propositivo y aplicado,
inclinándose por realizar un análisis estático mediante el método de
Elementos Finitos, el cual, determina las condiciones iniciales, modela la
geometría, define la malla, establece cargas y restricciones, asimismo
11 obtener una estructura con perfiles de menores espesores que los
perfiles de las estructuras convencionales, logrando una reducción en
los costos de fabricación y una reducción en su peso.
Este trabajo aportará métodos de análisis estructural para vehículos de carga basado en Elementos Finitos. Enseña técnicas de dibujo, mallado, modelado de condiciones de trabajo, etc.
Rodríguez (2010) en su tesis sobre el diseño de un semirremolque de
dos niveles, de la Escuela Superior Politécnica del Litoral (Guayaquil,
Ecuador)tiene como objetivo el diseño de un semirremolque eficiente al
momento de la carga y descarga de los pallets, que los proteja durante
el transporte y que sea acoplable a todo tipo de cabezal, siendo asistido
por el software Solidworks. Primero extrae el espacio dimensional de
plataformas existentes, luego dimensiona los espacios de carga por
medio del cálculo manual mediante la teoría de resistencia de materiales,
enseguida diseña el chasis por medio de CAD, para obtener resultados
optimizados mediante la técnica de elementos finitos. Al final, se aplican
diversas cargas para analizar posibles fallas. Si bien es cierto se logró
optimizar el diseño, concluyéndose que, de construirse este modelo de
semirremolque, debe considerarse que se ha depreciado las fallas de
fabricación. En ese sentido, contempla un trabajo aplicado y descriptivo
propositivo.
Este trabajo también brindará conocimientos sobre métodos de diseño de semirremolques y las técnicas que se pueden emplear en el paquete informático Solidworks.
2.1.2. Ámbito nacional
Ledesma (2014) en su tesissobre el diseño de volquetes y optimización
de su carga útil de la Universidad Nacional del Centro del Perú
12 tiene como objetivo diseñar semirremolques volquetes tridem livianos y
resistentes que optimicen la capacidad de carga útil. Como metodología
analiza las vigas principales, el casco de carga, la compuerta y algunas
autopartes principales. Desarrolla nuevos perfiles geométricos,
conservando y mejorando el módulo de sección equivalente original de
las piezas. Asimismo, emplea aceros de alta resistencia para la
reducción de pesos, con el propósito de determinar los esfuerzos
máximos a los que son sometidos estos semirremolques para poder
seleccionar el correcto tipo de material y espesor. Utiliza el módulo
Cosmos Works Professional del software Solidworks para calcular
esfuerzos máximos, deformaciones máximas y el factor de seguridad de
diseño. Ledesma logró disminuir en 1810 kg el peso de un
semirremolque.
Vargas (2018), Aplicando herramientas computacionales mejoró el
diseño de un semirremolque volquete encapsulado disminuyendo su
peso e incrementó su carga útil en el transporte de mineral a granel,
utilizando aceros de alta resistencia DOMEX 700 y el HARDOX 450.
2.2. TEORÍAS QUE SUSTENTAN EL TRABAJO
2.2.1. Diseño en ingeniería mecánica
Es un proceso de creación de un plan o sistema para satisfacer alguna
necesidad o resolver un problema. Se requiere de datos numéricos,
gráficos, instrumentos informáticos, conocimientos en tecnología, entre
otras herramientas. Algunos datos se asumen en un inicio, sin embargo
debe corregirse durante el procedimiento (Budynas & Keith, 2008).
En ingeniería mecánica, se puede diseñar: sistemas de generación y uso
de energía, medios de transporte, sistemas de acondicionamiento de
aire, motores eléctricos, turbomáquinas, sistemas de automatización,
13 mecánica de fluidos, resistencia de materiales, electricidad, ciencia de
los materiales, termodinámica, entre otras ciencias (Budynas & Keith,
2008).
La gran mayoría de necesidades satisfechas por la ingeniería mecánica
tiene que ver con el desarrollo de máquinas: aquel conjunto de
elementos o piezas que generan trabajo, es decir, producen fuerzas y
movimientos para levantar, arrastrar, cortar, rotar, entre otras actividades
(Norton, 2012).
Fases de diseño
El diseño empieza por la identificación de una necesidad, la cual en la
mayoría de casos no es tan evidente. Una necesidad se muestra como
un suceso adverso, algo a superar para satisfacer o garantizar una
buena calidad de vida o comodidad.
Analizando muy bien esa necesidad, se puede definir el problema
describiendo todas las especificaciones para la máquina o sistema a
construir: tamaño, condiciones de trabajo, condiciones de entrada y
salida, materiales, etc.
Las especificaciones del sistema a diseñar proporcionan ciertas
circunstancias restrictivas, acortando la lista de alternativas de diseño.
De esta manera, se va formando el concepto de qué se va a diseñar. A
la vez, continuamente se analiza el sistema en todas sus
especificaciones y se va optimizando su desempeño. Se establece un
proceso iterativo de síntesis, análisis y optimización (Budynas & Keith,
2008).
En diseño de máquinas, algunas fuerzas externas y sus consiguientes
aceleraciones no son conocidas, por lo que solo queda asumirlas
14 de no cumplir con ciertas condiciones, implicará repetir el proceso de
diseño (Norton, 2012).
El proceso de diseño se puede apoyar en modelos matemáticos que
ayudan a simular las condiciones de trabajo para analizar el rendimiento
de la máquina diseñada. Cuando se han obtenido los mejores resultados
posibles para el diseño, se realiza una evaluación final para poder
presentar el producto al interesado.
Sobre este último punto, se debe tener en cuenta que ingeniería no es
solo realizar cálculos y ver números. Gran parte del trabajo del ingeniero
es informar sus cálculos de manera sencilla y específica a sus jefes,
colegas y subordinados, de manera oral y/o escrita. Para esta tarea el
ingeniero se apoya de cuadros, tablas, gráficos, planos, esquemas,
videos, etc., pero lo importante es saber comunicar criterios. No sirve de
nada tener el mejor diseño si es que el público interesado no lo entiende
(Norton, 2012).
El modelo en ingeniería describe el comportamiento de un fenómeno
físico e implica algún grado de exactitud. Depende mucho de la
experiencia y el conocimiento del ingeniero diseñador (Norton, 2012).
Economía
Los costos son un factor importante al momento de tomar decisiones en
torno al diseño de una máquina. Dependen de los materiales, mano de
obra, impuestos, procedimientos logísticos, etc. Globalmente existen ya
tamaños estándares para los diferentes elementos que conforman una
máquina con el propósito de disminuir el gasto económico, pues debido
a los procesos que implicaría la fabricación de un elemento muy
específico, se elevaría en gran medida sus costos. Es más barato, por
disposición de material, mano de obra y logística, fabricar series grandes
15 estándar, existen unos más conocidos y empleados que otros, lo que
influye también en su costo final. El ingeniero debe procurar emplear
siempre el elemento estándar más comercial. (Budynas & Keith, 2008).
Otro aspecto a tener en cuenta es la tolerancia, es decir, la variación
admisible entre el valor real de alguna especificación o característica que
puede tener un elemento con relación al valor nominal, dada dentro de
un lote de producción. A menor tolerancia se incrementarán los costos,
pues se requerirán métodos y procesos más complejos; por el contrario,
a mayor tolerancia se disminuirán los costos, pues será suficiente los
procesos más sencillos. De nuevo, depende del ingeniero y del grado de
precisión de la aplicación para la cual se utilizará el elemento en
cuestión. Cuando se trata de costos, se debe encontrar el punto de
equilibrio con los demás aspectos del diseño: rapidez, confiabilidad, etc.
Es decir, no siempre se obtendrá el diseño más resistente al costo más
bajo. Hay que saber elegir qué aspecto es el más importante (Budynas
& Keith, 2008).
Incertidumbre
Para el diseño de cualquier máquina existen condiciones que no se
pueden prever o cuantificar con mucha precisión pero que los ingenieros
deben tener en cuenta, como, por ejemplo: variaciones en las
propiedades de los materiales, efectos de una soldadura, intensidad y
distribución de las cargas, nivel de precisión de los modelos matemáticos
empleados para el diseño, efectos del tiempo sobre las propiedades de
un material, corrosión, desgaste, etc. Existen técnicas determinísticas y
estocásticas para poder disminuir el riesgo de estas incertidumbres. Por
ejemplo, se puede establecer un factor de diseño nd en función de un
parámetro de pérdida de función y un parámetro máximo permisible
16 𝑛𝑑 = 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖ó𝑛
𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
Ecuación 1
Factor de diseño y factor de seguridad
El factor de diseño visto anteriormente debe calcularse para todos los
parámetros de pérdida de función en la máquina o sistema. El factor de
diseño más pequeño es el factor gobernante para toda la estructura. Al
término del diseño, se puede cambiar las dimensiones de los elementos
a tamaños estándar, usando el factor de diseño real. A este valor se le
llama factor de seguridad. Normalmente el factor de seguridad se calcula
en términos del esfuerzo y una resistencia importante, de la siguiente
manera (Budynas & Keith, 2008):
𝑛𝑑 =
𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖ó𝑛
𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
Ecuación 2
Otros tipos de factor de seguridad son fuerza crítica/fuerza aplicada,
carga de falla/sobrecarga esperada, ciclos máximos/ciclos de operación,
velocidad máxima/velocidad en operación (Norton, 2012).
Confiabilidad
Es la probabilidad de que un sistema mecánico no falle, para lo cual el
ingeniero diseñador debe escoger el mejor material, el mejor proceso y
las mejores dimensiones, respetando las diferentes normas de diseño y
fabricación. Hay métodos estadísticos para calcular la confiabilidad en
función de las incertidumbres relacionadas a los esfuerzos, resistencias,
17
2.2.2. Análisis de cargas y esfuerzos
Tipos de carga
a) Cargas muertas o estáticas:
Son cargas constantes, determinadas principalmente por la masa
de la estructura. Se calculan con las dimensiones y las densidades
de las vigas y demás accesorios usados (o recurriendo a
catálogos). Dentro de un proceso de diseño, debido a que no se
conocen con exactitud estas cargas, la mayoría de vigas son
estimadas. Al obtener los valores de esfuerzos de la estructura de
un diseño inicial, el valor de las cargas muertas se actualiza,
estableciendo un proceso iterativo (Rodríguez, 2010).
b) Cargas vivas o dinámicas:
Son cargas variables como la masa de la mercancía a transportar
(Sotomayor & Padilla, 2013).
c) Cargas accidentales:
Son cargas no comunes que ocurren eventualmente durante el
funcionamiento de una estructura. Pueden ser las cargas por
acción del viento, un movimiento telúrico, una precipitación, etc.
También se consideran los impactos, ocasionados por un salto del
vehículo en movimiento (Rodríguez, 2010).
d) Carga de seguridad:
Es la carga adicional a la carga de trabajo en condiciones normales
de la estructura. Se calcula con el factor de seguridad que implica
18
Diagrama de cuerpo libre
Es un método bastante lógico que permite descomponer ciertos
elementos que conforman una estructura o sistema para poder analizar
sus fuerzas y momentos (sentido, dirección y magnitud) por separado
(Budynas & Keith, 2008). Se basa en la Ley de Acción y Reacción de
Newton para mantener el equilibro estático de cada elemento estudiado.
Fuerza cortante y momentos flexionantes en vigas
La fuerza cortante es la sumatoria de las fuerzas que se ejercen en la
dirección perpendicular al eje de una viga y que garantizan el equilibro
de ese elemento al analizar su diagrama de cuerpo libre, dado un corte
imaginario. Por su parte, el momento flexionante resulta también de la
suma de los momentos producidos por las fuerzas sobre un punto
determinado de la viga (Budynas & Keith, 2008). Comúnmente a la
fuerza cortante se la representa con la letra V y al momento flexionante con la letra M. En la Figura 1 se da un ejemplo de diagrama de cuerpo libre de una viga con tres fuerzas externas y sus dos reacciones
respectivas en sus puntos de apoyo. En dicho ejemplo, se hace un corte
imaginario a la mitad y se observa tanto la fuerza cortante como el
momento flexionante.
Figura 1. A) Diagrama de cuerpo libre de una viga. B) Resultante de fuerza cortante y momento flexionante.
19
Esfuerzo
Es la distribución de una fuerza sobre todo el área de la superficie
transversal de una viga. Cuando la fuerza tiene dirección normal a la
superficie se le llama esfuerzo normal, y cuando tiene dirección
tangencial se le llama esfuerzo cortante tangencial (Budynas & Keith,
2008). Si el esfuerzo normal tiene un sentido saliente de la superficie, se
trata de un esfuerzo de tensión; y si tiene un sentido entrante a la
superficie, se dice que es un esfuerzo de compresión.
Convencionalmente al esfuerzo normal se le representa con la letra σ y al esfuerzo cortante con la letra τ. En la Figura 2 se muestra cómo se representan en el espacio y en el plano.
Figura 2. A) Esfuero tridimensional. B) Esfuerzo bidimensional Fuente: Budynas & Keith (2008).
matemáticamente los esfuerzos se definen de la siguiente manera:
𝜎 =𝐹𝑁 𝐴
Ecuación 3
𝜏 =𝐹𝑇 𝐴
20 Donde FNy FTson las fuerzas normal y tangencial, respectivamente, y A
es el área de la superficie.
El esfuerzo normal también puede relacionarse con la deformación
unitaria elástica ϵ con la Ley de Hooke mediante la siguiente ecuación:
𝜎 = 𝐸 ∙ 𝜖
Ecuación 5
Donde E es el módulo de Young o, también llamado, módulo de elasticidad (Budynas & Keith, 2008).
Flexión
Es el esfuerzo producido por un momento flexionante, generado por una
fuerza a una determinada distancia de un punto, y cuyo vector es
perpendicular a la barra o viga (Budynas & Keith, 2008).
Torsión
Es el fenómeno por el cual se somete sobre una barra o viga, un
momento cuyo vector tenga su misma dirección, produciendo también
un esfuerzo cortante (Budynas & Keith, 2008).
Concentración de esfuerzos
Es el área, dentro de un elemento de una máquina, donde se intensifica
la acción de los esfuerzos (por tensión, compresión, flexión o torsión),
debido a una discontinuidad en la geometría (Budynas & Keith, 2008).
Teoría de fallas
Los elementos de una máquina pueden dejar de funcionar de manera
óptima por diversas razones: deformación permanente, agrietamiento,
21 ensayos mecánicos que ayudan a determinar con cierta precisión el
origen de la falla de un elemento, pero hay que tener en cuenta que no
dejan de ser sólo hipótesis. Los ensayos se realizan dependiendo si el
material del elemento se considera dúctil o frágil, y los más utilizados son
(Budynas & Keith, 2008):
Para material dúctil:
a) Esfuerzo cortante máximo
b) Energía de distorsión
c) Mohr Coulomb dúctil
Para material frágil:
a) Esfuerzo normal máximo
b) Mohr Coulomb frágil
c) Mohr modificada
2.2.3. Teoría de Elementos Finitos.
El método de Elementos Finitos es una poderosa herramienta para
analizar diversos fenómenos físicos e ingenieriles en sus distintas áreas:
civil, mecánica, energética, transporte, etc.
Este método sentó sus bases en el siglo XIX, pero no fue hasta 1970
cuando se llevó esta teoría a la computación y se crearon los primeros
softwares de diseño (Nápoles, Gonzáles, & Olivares, 2015). De hecho,
fueron las computadoras las que le dieron a este método la importancia
que ahora tiene, y fue la aeronáutica la que más lo ha explotado en sus
inicios, especialmente en cuanto al análisis estructural. El aumento en el
22 potentes computadoras, de mejores características de almacenamiento,
rapidez, tarjetas de video, etc.
El método parte de entender a los fenómenos físicos como situaciones
continuas, descritas por ecuaciones diferenciales, y entonces, se busca
formas de convertir dichas ecuaciones en expresiones algebraicas
mediante ciertas aproximaciones, pasando por una división de la
geometría objeto de estudio, llamado también dominio, en una cantidad
limitada de elementos o subdominios. A esta descomposición se le llama
proceso de discretización (Olmedo, 2015).
Dentro de la geometría dividida se encuentran los nodos, que son los
puntos donde se encuentran dos o más elementos diferentes. Además,
al grupo de nodos con las líneas que los unen se le llama malla (Ortiz,
Ruiz, & Ortiz, 2013). Finalmente se genera una matriz con los datos de
un sistema de ecuaciones con las variables de cada nodo.
En resumen, un software de Elementos Finitos divide una determinada
geometría, que tiene un comportamiento continuo en toda su extensión,
en varias partes pequeñas representadas en un conjunto de valores
discretos dentro de un sistema de ecuaciones. Dado que algunos de
estos valores sí son conocidos, los demás valores de la geometría se
pueden ir aproximando (Frías, 2004).
23 Dentro de algunos softwares de modelación utilizando Elementos Finitos
se tienen: Simulation Mechanical, Inventor, Solidworks, ANSYS,
MathCAD.
Para el caso específico del análisis estructural el estudio se reduce a
observar el desplazamiento entre los nodos de la malla. Se calculan las
deformaciones y los esfuerzos del sistema mecánico a partir del
desplazamiento entre nodos, el cual relaciona la rigidez del material
asignado a la geometría con las fuerzas externas que se aplican
(Nápoles, Gonzáles, & Olivares, 2015). Esta teoría se define en la
siguiente ecuación matricial:
[𝐾]𝑢⃗ = 𝐹
Ecuación 6
Donde:
[K]: Matriz de rigidez
{u}: Vector desplazamiento
{F}: Vector de cargas
Simulation Mechanical
Los softwares CAD han ayudado mucho al diseño mecánico,
considerando que se ha dejado ya de lado el dibujo a mano alzada,
vistas únicamente bidimensionales sin opción a mayor detalle, entre
otras desventajas que se tenían al inicio. El ingreso de las computadoras
dio pie a otros softwares que complementaron el ejercicio del dibujo
técnico. Ya no solo se tiene la computadora para dibujar, sino para
visualizar diversos fenómenos físicos (térmicos, mecánicos, eléctricos,
hidráulicos) y simular condiciones de trabajo. Es ingeniería asistida por
24 cualquiera de los campos del conocimiento, sin el uso de una
computadora (Norton, 2012).
Simulation Mechanical es un software perteneciente de Autodesk que
emplea el método de elementos finitos para modelar, evaluar y simular
diversos sistemas ingenieriles en los campos de la mecánica (análisis
estructural, fallas, diseño de máquinas) y la termodinámica (mecánica de
fluidos, transferencia de calor). Las etapas que ofrece son: mallado, que
como ya se había comentado, es la descomposición de la geometría en
varios elementos pequeños; procesamiento, donde se resuelven las
ecuaciones de conservación; y post-procesamiento, que implica las
diversas formas de presentación y lectura de los resultados (3D CAD
Portal, 2018).
Figura 4. Simulación en software Simulation Mechanical 2018. Fuente: (3D CAD Portal, 2018).
2.2.4. Análisis Estructural
Para la ingeniería mecánica, el análisis estructural es evaluar dentro de
un sistema de elementos mecánicos el equilibro de sus fuerzas internas
25 correlación entre sus fuerzas y desplazamientos (Camba, Chacón, &
Pérez, 1982).
La Ingeniería Estructural es, entonces, el campo donde se diseña y
construye estructuras para diferentes actividades cotidianas: edificios,
puentes, medios de transporte, etc. Siendo la estructura un conjunto de
elementos que tiene como objetivo resistir o soportar tanto la
construcción como otras cargas: personas, vehículos, mercancías, etc.
(Cervera & Blanco, 2002).
Al tratar el tema del equilibrio, se hace referencia a que las fuerzas que
se ejercen en una estructura (con las respectivas reacciones) deben
conformar un sistema de fuerzas y momentos nulo (Cervera & Blanco,
2002), cumpliendo las siguientes ecuaciones:
∑ 𝐹 𝑖 𝑖 = 0 Ecuación 7 ∑ 𝑀⃗⃗ 𝑖𝑂 𝑖 = 0 Ecuación 8
Donde F representa las fuerzas y M los momentos generados por dichas
fuerzas en un punto dado O.
Asimismo, la compatibilidad de deformaciones se refiere a que, al ocurrir
una, se debe cumplir la limitación de movimiento dada por los apoyos,
así como en los puntos de conexión de las diferentes barras de la
estructura. Por último, la compatibilidad de deformaciones debe
garantizar que a lo largo de una barra no se generen huecos o
26 Una estructura puede ser isoestática, si puede calcularse todas sus
fuerzas y reacciones con los métodos ya conocidos; y puede ser también
hiperestáticas, si es que no pueden ser totalmente determinadas. Para
este tipo de estructuras, existen dos métodos de cálculo (Cervera &
Blanco, 2002):
Método de compatibilidad: Consiste en convertir la estructura
hiperestática en isoestática reemplazando, en primer lugar, los apoyos
redundantes por fuerzas desconocidas. Después se puede resolver la
estructura en función de estas incógnitas, estableciendo nuevamente las
condiciones de compatibilidad. Se trata de una metodología iterativa
(Cervera & Blanco, 2002).
Método de equilibro: En este método se identifica el número de
movimientos incógnita de la deformación de la estructura y se cumple la
compatibilidad en los nudos. Después se resuelve las piezas individuales
satisfaciendo sus condiciones de compatibilidad. Se calculan las
incógnitas cinemáticas imponiendo nuevamente las necesarias
condiciones de compatibilidad en nudos. Por último, se hallan los
movimientos, esfuerzos y reacciones en toda la estructura (Cervera &
Blanco, 2002).
Trabajo y Energía
La conservación de la energía juega otro rol importante en el Análisis
Estructural. Supone que se debe despreciar el rozamiento en los apoyos
dentro de la estructura, esto es, que sean completamente rígidos o
elásticos, y además, que no haya disipación por rozamiento interno
dentro del material. De esta manera, se desprecia las pequeñas
variaciones en cuanto a la energía cinética y la energía térmica
27 La energía que sí es tomada en cuenta en la estructura es la que se
acumula en el proceso de deformación, y que recibe el nombre de
energía potencial elástica o energía de deformación, la cual se debe al
trabajo realizado por las fuerzas externas (Camba, Chacón, & Pérez,
1982).
2.2.5. El acero y sus características
El acero es un material que contiene principalmente hierro y en menor
cantidad (1%) carbono y otros elementos: níquel, cromo, molibdeno,
manganeso, entre otros (San Zapata, 2013). Tiene como principal
característica la resistencia mecánica. A continuación, se definen las
propiedades del acero:
Cizallamiento: Deformación del acero producida por una fuerza cortante.
Ductilidad: Es el alargamiento que sufre el material antes de fracturarse.
Maleabilidad: Al contrario de la ductilidad, se define como la resistencia
al ser comprimido el acero.
Resiliencia: Capacidad de absorber energía durante la deformación con
la condición de poder volver al estado original, es decir, sin provocarse
una deformación permanente. Se cuantifica por unidad de volumen del
material.
Tenacidad: Capacidad de absorber energía durante la deformación con
la condición de que se produce una deformación permanente.
Dureza: Es la resistencia al desgaste o erosión, que se ocasiona por el
rozamiento entre el material y otro cuerpo.
Asimismo, se presenta qué características le confieren los demás
28 Cromo: Aumenta la tenacidad y la dureza al acero.
Níquel: Aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad.
Manganeso: Actúa como agente que protege al acero del óxido y del
sulfuro.
Silicio: Utilizado también para proteger del óxido al acero. Se debe añadir
en la cantidad adecuada para no producir un material frágil.
Molibdeno: Aumenta la dureza y la tenacidad.
Vanadio: Utilizado en materiales para herramientas, debido a la dificultad
para ablandarlo.
Tungsteno: Utilizado también para mejorar los valores de la dureza y la
tenacidad.
Según la Norma UNE-36010 citado por Zarate & Pérez (2009), los
aceros se clasifican de la siguiente manera:
a) Serie 1:
Estos aceros se hacen más duros y menos soldables cuanto más
contenido de carbono presentan; además, tienen más resistencia
al impacto. Mediante tratamientos térmicos, se les pueden
aumentar su dureza, tenacidad y resistencia. Estos aceros son
utilizados en construcciones industriales y civiles. Se dividen en 7
grupos:
Grupo 1: Aceros al carbono
Grupos 2 y 3: Aceros aleados de gran resistencia.
Grupo 4: Aceros aleados de gran elasticidad.
Grupos 5 y 6: Aceros para cementación.
29
b) Serie 2:
Contienen diversos elementos aleantes que mejoran sus
propiedades para poder fabricarse determinados equipos en
condiciones de trabajo específicos.
Grupo 1: Aceros de fácil mecanización, utilizados para la
manufactura de tubos, tornillos, perfiles, entre otros
productos.
Grupo 2: Aceros para soldadura, aptos para productos
similares a los del Grupo 1.
Grupos 3: Aceros magnéticos, utilizados para fabricarse
máquinas y elementos eléctricos.
Grupo 4: Aceros de dilatación térmica, utilizados en uniones
entre materiales férricos y no férricos, es decir, materiales de
diferentes constantes de dilatación, pues son sometidos a
trabajos a altas temperaturas.
Grupo 5: Aceros resistentes a la fluencia, usados en piezas
que trabajan en la industria química y petroquímica, en
condiciones de alta temperatura.
c) Serie 3:
Cuentan principalmente, como elementos aleantes, cromo y níquel.
Son resistentes a ambiente húmedos, presencia de agentes
químicos y a altas temperaturas. Se utilizan, por ejemplo, en
depósitos de agua, electrodomésticos, material para cocina,
instrumental clínico, etc.
Grupo 1: Aceros inoxidables.
30
d) Serie 5:
Estos aceros tienen propiedades muy especiales de dureza,
tenacidad. Resisten óptimamente al desgaste y a la deformación
por altas temperaturas.
Grupo 1: Aceros al carbono para herramientas. Utilizados en
maquinaria para trabajo ligero (carpintería, agrícola, etc.)
Grupos 2, 3 y 4: Aceros aleados para herramientas. Utilizados
para máquinas y herramientas más pesados.
Grupo 5: Aceros rápidos, fabricados en herramientas de corte.
e) Serie 8:
Estos aceros son utilizados para procesos de moldeo de piezas
complicadas, por lo que tienen una menor cantidad de carbono.
Grupo 1: Aceros para moldeo.
Grupo 3: Aceros de baja radiación.
Grupo 4: Aceros para moldeo inoxidable.
Por último, el acero STRENX, que es el acero analizado en la presente
investigación es un acero utilizado para fabricar elementos más
resistentes y más livianos. Particularmente, el acero STRENX 700 tiene
un límite de elasticidad mínimo de 700 MPa (SSAB, 2018). El Strenx
puede plegarse fácilmente, así como soldarse manteniendo grandes
valores de resistencia y dureza: 260 HBW, 24 HRC, y 860 N/mm2 de
tensión de rotura (SSAB Swedish Steel, 2017). También puede resistir
31 Figura 5. Soldadura de acero strenx 700.
Fuente: (SSAB Swedish Steel, 2017).
Figura 6. Ensayo de tracción. Fuente: (SSAB Swedish Steel, 2017).
La compañía SSAB ofrece una metodología base para el cálculo de algunas
32 Figura 7. Esquema de principales fuerzas que afectan el consumo de
combustible de un semirremolque. Fuente: (SSAB , 2015).
Donde:
FL : Resistencia aerodinámica.
FR: Resistencia de rozamiento.
FB: Resistencia de aceleración.
𝐹𝐿 = 𝜌𝐶𝑤𝐴𝑉𝑥
2
2
Ecuación 9
𝐹𝑅 = 𝑘𝑅∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ cos 𝛼
Ecuación 10
𝐹𝐵 = 𝑘𝑚𝑚𝑎𝑥
Ecuación 11
𝐹𝑠𝑡 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ sin 𝛼
33 𝐹 = 𝐹𝐿𝐹𝑅𝐹𝐵𝐹𝑠𝑡
Ecuación 13
Además:
F: Resistencia total.
ρ: Densidad de la atmósfera.
Cw: Coeficiente de resistencia aerodinámica.
A: Área frontal.
V: Velocidad.
KR: Coeficiente de rozamiento.
m: Masa.
α: Ángulo de inclinación.
km: Coeficiente de aceleración.
a: Aceleración.
2.3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS
Vehículo: Es un dispositivo o máquina que puede cambiar de posición
utilizando un motor o no, y que puede trasladar a personas, animales y/o
mercancías (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2003).
Vehículo Articulado: Grupo de vehículos conectados entre sí,
desplazados por uno de ellos que tiene motor.
Vehículo Combinado: Unión de dos o más vehículos contando el
primero de ellos con motor, y los demás siendo arrastrados.
Vehículo de carga: Vehículo motorizado que tiene como función el
34 adicionales, además de tener una estructura especialmente adaptada,
para transportar mercancías muy específicas.
Vehículo de colección: Vehículo motorizado, con más de 35 años
desde su puesta en servicio, correctamente arreglado y garantizado por
el certificado correspondiente.
Vehículo Especial: Vehículo autopropulsado o arrastrado, incluyendo
sus combinaciones, que tiene dimensiones, materiales y mecanismos
especiales y que es fabricado para trabajos de cierta complejidad. No
cumple con las especificaciones de pesos, dimensiones, emisiones u
otras determinadas en el Reglamento. No son incluidos en esta
denominación las máquinas y equipos diseñados y construidos
únicamente para el trabajo fuera del SNTT, en las industrias de la
construcción, minería y agricultura (máquinas amarillas y máquinas
verdes).
Vehículo Incompleto: Es aquel que necesita de uno o más sistemas o
mecanismos para poder ser considerado en el SNTT. Si se habla de las
categorías M y N, puede tratarse de un chasis con motor; aunque para
la categoría N también puede tratarse de un chasis con cabina.
Vehículos Categoría L: Vehículos que cuentan con tres ruedas como
máximo
Vehículos Categoría M: Vehículos para personas y que tiene más de
tres ruedas
Vehículos Categoría N: Vehículos que tienen al menos cuatro ruedas y
que transportan grandes cargas.
35
Camión: Vehículo diseñado y fabricado para transportar diversos
productos sobre su propia estructura, con un peso bruto mayor a 3500
kilogramos (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2003).
Tracto remolcador: Vehículo diseñado y fabricado para arrastrar
semirremolques. Además, puede soportar parte del peso total que es
transmitido por el semirremolque (Ministerio de Transportes y
Comunicaciones, 2003).
Remolque: Vehículo que, aunque no tiene motor, es diseñado y
fabricado para ser arrastrado por otro vehículo que sí cuenta motor. En
este caso, el vehículo motorizado no soporta algún peso del remolque
(Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2003).
Semirremolque: Vehículo que puede tener más de un eje y que, al no
contar con motor, se conecta a otro vehículo que sí es motorizado
transmitiéndole una porción de su peso. Se utiliza para el transporte de
carga pesada (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2003).
Remolque de enganche: Llamado también remolque completo, es un
vehículo de dos ejes y un eje de dirección como mínimo. Se mueve en
un sentido vertical con relación al remolque a través de un mecanismo
de acople. El remolque de enganche no transmite al vehículo de tracción
una carga de gran magnitud (menor de 100 Kg) (Guzmán, 2016).
Remolque de eje central: A diferencia del remolque de enganche, no
puede moverse en un sentido vertical con relación al remolque. Sus ejes
están situados cerca al centro de gravedad del vehículo, transmitiendo
solamente una pequeña carga estática vertical al vehículo de tracción, y
soportándose sobre el acoplamiento (Guzmán, 2016).
Semirremolque Plataforma: Es una estructura plana que tiene como fin
