UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL
DE RIEGO PARA UN CULTIVO HIDROPÓNICO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
MICHAEL MENA VILLACÍS
DIRECTOR: ING. MARCELA PARRA
DERECHOS DE AUTOR
DECLARACIÓN
Yo MICHAEL MENA VILLACÍS, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Michael Mena Villacís
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título Diseño y Construcción de un sistema de control de riego para un cultivo hidropónico, que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico, fue desarrollado por Michael Mena, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
Ing. Marcela Alexandra Parra, Mgt. DIRECTOR DEL TRABAJO
PRESENTACIÓN
Estimados profesores y estudiantes:
Este documento tiene como objetivo fundamental ser una herramienta práctica para la elaboración del “Trabajo de Titulación” en las diferentes carreras de pregrado de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería de la UTE
Se espera que este instructivo contribuya a que la escritura del “Trabajo de Titulación” sea un poco más sencilla, con formatos claros y uniformes para llegar a la preparación del documento técnico del trabajo de investigación con el cual se culmina la carrera de formación profesional.
Este material es el resultado de la recopilación de diferentes documentos de varias instituciones, por lo tanto no se pretende ser originales, sino facilitar el trabajo de los estudiantes ejecutores y de los docentes directores de dichos trabajos de titulación.
DEDICATORIA
A Dios, por permitirme llegar a este momento tan especial en mi vida y en mi formación profesional, el que me ha dado fortaleza para continuar y salir adelante.
De igual forma, dedico esta tesis a mis padres que han sabido formarme con buenos sentimientos, hábitos y valores, lo cual me ha ayudado a seguir en los momentos más difíciles.
A mis hermanas que siempre han estado junto a mí, brindándome su apoyo, cariño y comprensión.
A mi familia en general, porque me han brindado su apoyo incondicional y por compartir conmigo buenos y malos momento.
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Tecnológica Equinoccial, porque en sus aulas, recibí el conocimiento intelectual y humano de cada uno de los docentes de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería.
Especial agradecimiento a mi Directora de Tesis la Ing. Marcela Alexandra Parra, Mgt, por sus consejos y amistad.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN ABSTRACT
1. INTRODUCCIÓN... 1
1.1 OBJETIVO GENERAL ... 5
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 5
1.3 ALCANCE ... 6
2. MARCO CONCEPTUAL...7
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS... 7
2.2 FUNDAMENTACIÓN LEGAL ... 8
2.2.1 NORMATIVA PARA CONSTRUCCIÓN DEL INVERNADERO ... 8
2.2.1.1 CARGAS GENERALES ... 8
2.2.1.2 CUBIERTAS PLANAS, INCLINADAS Y CURVAS ... 9
2.2.1.3 CARGAS POR VIENTO ... 10
2.2.2 NORMATIVA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CULTIVOS HIDROPÓNICOS ... 11
2.2.2.1 REQUISITOS Y NORMAS QUE DEBEN CUMPLIR LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ... 11
2.2.3 NORMAS ELÉCTRICAS PARA CABLEADO ... 12
2.3 CATEGORÍAS FUNDAMENTALES ... 12
2.3.1 CULTIVO HIDROPÓNICO ... 12
2.3.1.1 Generalidades de los cultivos hidropónicos ... 14
2.3.1.2 Concepto de cultivo hidropónico... 15
2.3.1.3 Importancia del cultivo hidropónico ... 16
2.3.1.4 Ventajas de los cultivos hidropónicos ... 17
2.3.1.5 Factores que inciden en la elección del cultivo hidropónico ... 17
ii
2.3.2.1 Concepto de invernadero ... 19
2.3.2.2 Importancia y ventajas de los invernaderos ... 19
2.3.2.3 Variables del control en el invernadero ... 20
2.3.2.4 Factores que inciden en la elección del invernadero ... 20
2.3.2.5 Control de riego en invernadero ... 21
2.3.3 IMPORTANCIA DE TRABAJAR CON LOS CULTIVOS HIDROPÓNICOS E INVERNADEROS ... 21
2.3.3.1 Infraestructura física ... 21
2.3.3.2 Sistema de irrigación ... 21
2.3.3.3 Sistema de ventilación ... 22
2.3.3.4 Sistema de seguridad para el ingreso ... 22
2.3.4 SISTEMA EMBEBIDOS ... 23
2.3.4.1 Concepto de un sistema embebido ... 23
2.3.4.2 Partes de un sistema embebido ... 23
2.3.4.3 Micro controlador ... 23
2.3.4.4 Sensores ... 24
2.3.4.5 Actuadores ... 26
2.3.5 FALLASESTRUCTURALES ... 31
2.3.6 SEGURIDADESTRUCTURAL ... 31
2.3.7 ANÁLISISDECARGA ... 31
2.3.7.1 CARGAS ESTÁTICAS, ... 31
2.3.7.2 CARGAS DINÁMICAS ... 32
2.3.7.3 CARGA DE SISMO-CARGA VIVA ... 33
2.3.8 ANÁLISISDECLIMA ... 35
3. METODOLOGÍA...38
3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 38
3.2 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN ... 39
3.3 MODALIDAD BÁSICA DE INVESTIGACIÓN ... 40
3.4 TIPO DE INVESTIGACIÓN ... 40
iii
3.5.1 POBLACIÓN ... 41
3.5.2 MUESTRA ... 42
3.6 PARÁMETROS DE CONTROL ... 43
3.6.1 RIEGO ... 43
3.7 DISEÑO DE INVERNADEROS POR CRITERIOS PONDERADOS .... 44
3.8 QUÍMICOS QUE SE VAN A USAR ... 45
3.8.1 ÁREA DE CONSTRUCCIÓN ... 46
3.8.2 ANALISIS ESTRUCTURAL ... 47
3.8.3 INFRAESTRUCTURA DEL INVERNADERO. ... 48
3.8.3.1 Análisis de la Estructura ... 48
3.8.4 CONSTRUCCIÓN DE LA INFRAESTRUCTURA FÍSICA ... 51
3.8.5 NÚMERO DE VARIABLES TOTALES A CONTROLAR ... 64
3.8.6 RESTRICCIONESDELSISTEMA ... 64
3.8.7 INTERFAZ HMI FÁCIL DE ENTENDER PARA EL USUARIO. ... 65
3.9 RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN ... 66
3.10 PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS ... 66
3.10.1 PROCESO DE LA INFORMACIÓN ... 66
3.10.1.1 Flujo gramas ... 71
3.10.2 ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE MATERIALES. ... 73
3.10.2.1 Invernadero ... 73
3.10.2.2 Sistema de riego ... 73
3.10.2.3 Sistema de temperatura ... 73
3.10.2.4 Sistema de control de ingreso ... 74
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS...75
4.1 ANÁLISIS DE CARGA Y FACTOR DE SEGURIDAD ... 75
4.1.1.1 Calculo de la carga crítica ... 75
4.2 SISTEMA DE IRRIGACIÓN ... 86
iv 4.3 SISTEMA DE TEMPERATURA (DIAGRAMA DE CONEXIONES Y
FUNCIONAMIENTO) ... 88
4.4 SISTEMA DE CONTROL DE ACCESOS... 99
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...100
5.1 CONCLUSIONES ... 100
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Sobrecargas Mínimas Uniformemente Distribuidas, Lo y
Concentradas, Po ... 9
Tabla 2.2. Factor De Sobrecarga Del Elemento De Soporte ... 9
Tabla 2.3. Coeficiente de Corrección ... 10
Tabla 3.1. Temperaturas de la Ciudad de Quito ... 41
Tabla 3.2. Temperaturas Óptima de la Fresa ... 42
Tabla 3.3. Temperaturas Óptima de la Rábanos ... 42
Tabla 3.4. Temperaturas Óptima de la Zanahorias ... 42
Tabla 3.5. Tabla de Criterios Ponderados ... 44
Tabla 3.6. Ejes de Diseño ... 53
Tabla 3.7. Load Pattern Definitions ... 55
Tabla 3.8. Auto Wind - Asce7-10 ... 55
Tabla 3.9. Case - Static 1 - Load Assignments ... 55
Tabla 3.10. Combination Definitions ... 55
Tabla 3.11. Joint Loads – Force ... 57
Tabla 3.12. Joint Displacements, Part 1 Of 2 ... 59
Tabla 3.13. Joint Displacements, Part 2 Of 2 ... 59
Tabla 3.14. Material Properties 01 – General ... 59
Tabla 3.15. Material Properties 02 - Basic Mechanical Properties ... 59
Tabla 3.16. Material Properties 03a - Steel Data ... 60
Tabla 3.17. Material List 2 - By Section Property ... 60
Tabla 3.18. Steel Design 1 - Summary Data - Aisc-Asd89 ... 60
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Cultivo Antiguo Chinampa ... 14
Figura 2.1. Micro Controlador ... 24
Figura 2.2. Reductor de Velocidad o Motor Reductor. ... 27
Figura 2.3. Solenoide ... 28
Figura 2.4. Bomba de Agua ... 29
Figura 2.5. Soldadura, Arco Eléctrico. ... 30
Figura 2.6. Cordón de Soldadura. ... 30
Figura 2.7. Zonificación Sísmica del Ecuador ... 34
Figura 2.8. Temperaturas Máximas y Mínimas del Ecuador... 37
Figura 3.1. Hortalizas en Cultivo Hidropónico en un Granja Modelo ... 40
Figura 3.2. Diseño del Invernadero ... 47
Figura 3.3. Cargas Estructurales en la Viga ... 49
Figura 3.4. Diagrama de Esfuerzos y Momentos ... 51
Figura 3.5. Análisis de la Fuerzas en la Estructura ... 52
Figura 3.6. Análisis de Soporte Estructural... 53
Figura 3.7. Diseño de la Estructura ... 54
Figura 3.8. Análisis de Cargas Estáticas ... 56
Figura 3.9. Selección de Bomba ... 68
Figura 3.10. Selección de Motor ... 70
Figura 4.1. Columna Sometida a Carga de Compresión ... 75
Figura 4.2. Tanque de Abastecimiento ... 80
vii
Figura 4.4. Panel Táctil Activo ... 81
Figura 4.5. Panel Táctil Bloqueado ... 82
Figura 4.6. Sistema de Riego por Goteo ... 82
Figura 4.7. Panel de Control ... 83
Figura 4.8. Pantallas LCD... 83
Figura 4.9. Botones de Control ... 84
Figura 4.10. Indicadores de Control ... 85
Figura 4.11. Indicadores de Control de Temperatura ... 85
Figura 4.12. Indicadores de Control de Irrigación ... 86
Figura 4.13. Diseño de la Placa de Control de Sensores de Nivel ... 88
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ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1. Parte Mecánica A1 ... 103
Anexo 2. Parte Mecánica A2 ... 103
Anexo 3. Parte Mecánica A3 ... 104
Anexo 4. Parte Mecánica A4 ... 104
Anexo 5. Parte Mecánica A5 ... 105
Anexo 6. Parte Electrónica B1 ... 105
Anexo 7. Parte Electrónica B2 ... 106
Anexo 8. Parte Electrónica B3 ... 106
Anexo 9. Parte Electrónica B4 ... 107
Anexo 10. Parte Electrónica B5 ... 107
Anexo 11. Parte Electrónica B6 ... 108
Anexo 12. Sistema de Control C1 ... 108
Anexo 13. Sistema de Control C2 ... 109
Anexo 14. Sistema de Control C3 ... 109
Anexo 15. Sistema de Control C4 ... 110
Anexo 16. Sistema de Control C5 ... 110
ix
GLOSARIO
AC BOBINA BOMBA Corriente Alterna.Carrete sobre el que se enrolla hilo, alambre, etc., y el hilo mismo.
Máquina que eleva, comprime y transporta fluidos DC
ELECTROVALENCIA
FUENTE DE PODER LED
LCD
MICROCONTROLADOR
Corriente Continua
Quím. Número de electrones que gana o pierde un átomo al unirse con otro.
Conjunto de elementos que brindan energía a un sistema eléctrico.
Light-Emitting Diode diodo emisor de luz.
Liquid Crystal Display, Transistor de Película Fina - Pantalla de Cristal Líquido
Abreviado μC, UC o MCU es un circuito integrado programable NEC PNC RTD RESISTENCIA ELECTRICA SENSOR TRANSISTOR USB
Norma Ecuatoriana de Construcción Producto no conforme
Del inglés: resistance temperature detector, Detector de temperatura resistivo
Se le llama resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones para desplazarse a través de un conductor
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para producir una señal de salida en respuesta a otra señal de entrada.
x
RESUMEN
Crear cultivos verticales en la ciudad donde el espacio es el recurso más codiciado hoy en día, los cultivos verticales ofrecen la facilidad de tener productos al alcance de todos de manera rápida y eficiente, evitando usar camiones dotados con tecnología para preservar el mismo producto que viaja alrededor de 3 a 4 horas para llegar a las diferentes bodegas de almacenamiento. Este trabajo propone la manera fácil y eficiente de tener cultivos de verticales con productos de primera calidad evitando el gasto de transporte y almacenamiento.
El invernadero tendrá un acceso limitado a las personas que tengan la clave de acceso para permitir el ingreso, esta clave deberá ser digitada en un teclado numérico ubicado en la puerta de ingreso del invernadero.
El sistema de control de temperatura permitiría establecer temperaturas ideales que necesitan los cultivos para desarrollarse, en el presente proyecto se establecen tres diferentes cultivos, cada cultivo necesita temperaturas diferentes para poder desarrollarse las cuales deberán ser censadas y controladas por el invernadero.
El sistema de riego del invernadero será por goteo ya que como es un cultivo hidropónico necesita la presencia de agua la mayoría del tiempo para que los cultivos absorban los nutrientes que necesitan para desarrollarse.
xi
ABSTRACT
1 Los cultivos hidropónicos son la nueva forma de cultivo, que permite avanzar con ideas de techos verdes en las ciudades donde los edificios grandes, la contaminación ambiental por parte de los vehículos, hacen que la vida verde dentro de estas poblaciones se deteriore. Es por esto que se plantea la idea de tener cultivos hidropónicos en lugares donde no se necesita grande hectáreas de tierra, al contrario solo se necesita de un factor importante agua.
El crecimiento de plantas terrestres sin suelo en soluciones minerales se convirtió rápidamente en una técnica estándar de la investigación y de la enseñanza y sigue siendo ampliamente utilizada. Esta técnica ahora se considera un tipo de hidroponía donde no hay medio inerte.
El tener que alimentar alrededor de 7000 millones de personas que habitan en el planeta, es un problema que cada vez se va agravando más y más, porque conforme crece la población el abastecimiento de alimentos también se torna más complejo.
La producción en la modalidad del monocultivo, que permite cosechar grandes cantidades de producto, o la utilización de semillas transgénicas que garantizan plantas menos vulnerables a las plagas, son cada vez más comunes para poder dar abasto a tal requerimiento.
En esta lucha diaria, cientos de iniciativas han surgido para dar alternativas alimenticias que cubran las diferentes demandas y necesidades, pero, la mayoría propone alternativas que sean más saludables y compatibles con los ecosistemas productivos
2 posibilidad o hay espacio para productos amigables con el medio ambiente, generados por los pequeños productores y la agricultura familiar?
Esta pregunta es pertinente para el país caracterizado por una geografía física y humana variada, poco proclive para la gran producción.
Hoy en día el mercado mundial para alimentos, especialmente en los países desarrollados, se caracteriza por una demanda variada, que incluye en forma creciente alimentos orgánicos, producidos bajo condiciones sociales y ambientales deseables, de comercio justo, de orígenes y con marcas geográficas determinadas e identificables.
Se trata de un consumo ético dispuesto a pagar algo más en función de que su producción sea sana, saludable, sino de químicos, es decir producción orgánica y con sellos ambientales, la misma que la podremos obtener de manera óptima a través de la utilización de la hidroponía en invernaderos de manera automatizada.
3 Este proyecto ha permitido retomar una práctica antigua que fue y debe ser el autoconsumo y que consiste en consumir lo que nosotros mismos producimos, ya sea cultivando o criando.
Si estas personas están cultivando alimentos que contienen proteínas, hidratos de carbono y grasas, pueden proveerse perfectamente de todo lo que sus cuerpos necesitan para funcionar bien, y mucho mejor si cultivan de manera orgánica, sin usar pesticidas ni fertilizantes químicos. Esos alimentos resultan de mejor calidad que los que se venden masivamente en los mercados. En este sentido este proyecto trata de incorporar la hidroponía a la agricultura comunitaria urbana y en conocimiento de que ésta, al reemplazar la tierra por un medio estéril, permite eliminar pestes y enfermedades contenidas en la tierra así como reducir notablemente el tiempo destinado al cuidado de las plantas.
4
Figura 1.1. Diagrama de Ishikawa Elaborado por: Michael Mena
FALTA DE CULTIVOS HIDROPONICOS DENTRO DE LAS
CIUDADES
CONOCIMIENTO COSTOS
DISEÑO MATERIAL
No ven la necesidad
Falta de Información Falta de
Investigación
Sustratos de
Crecimiento Vitamina s
Semillas
Difícil acceso a la recolección Estructura sobre terrazas Abastecimiento de agua Materiales Estructurales
Costos del Material Mano de
5 El automatizar los sistemas de riego y el implementar sistemas de control y de limpieza en los invernaderos permite deducir la importancia que este trabajo de investigación tendrá en el incremento de la productividad de los microempresarios y de las grandes industrias del sector agrícola ecuatoriano.
1.1 OBJETIVO GENERAL
- Diseñar y construir un modelo de un sistema de goteo para un cultivo hidropónico, para disminuir productos no conformes (PNC) durante el proceso de crecimiento y desarrollo de frutos, para consumo humano.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Investigar los diferentes métodos de riego, para la creación de un sistema de riego automatizado.
Seleccionar el sistema de riego más apropiado en función de poder crear sistema de riego automatizado eficiente
Diseñar y construir de un invernadero hidropónico sobre loza reforzada en el sector de Monteserrín.
Diseño y construcción de un canal agua que permita el control automatizado de riego por goteo para el cultivo dentro del invernadero.
Diseño y construcción de un sistema de control de nivel y distribución de líquidos.
6
1.3 ALCANCE
El presente proyecto se enfocara principalmente en el diseño y creación de un invernadero hidropónico para cultivo de frutos vertical, encima de una loza reforzada en el sector de Monteserrín.
El objetivo principal del proyecto es la creación y control de un sistema de riego por goteo, lo que permita las dosificaciones exactas de agua para diferentes tipos de frutos.
Hacer un cultivo hidropónico representa el ahorro de muchos factores como es el transporte del fruto de un lugar a otro manteniendo el clima ideal para q el fruto llegue en buen estado, invirtiendo en camiones de alta tecnología que ayudan a q esta labor se cumpla.
Lo que un cultivo hidropónico lo que principalmente busca es optimizar los recursos de las ciudades sin necesidad de depender de los recursos del campo.
7 A medida que la población crece es necesario buscar una forma de cultivo alternativo, para poder disminuir los costos de la fruta, verduras, legumbres, hortalizas que compramos a diario en supermercados, bodegas y tiendas, ya que para poder adquirir este producto fue necesario una serie de procesos entre ellos transportar el producto final antes mencionado es necesario tener camiones con adaptaciones especiales que mantienen la temperatura que el producto necesita hasta llegar al lugar de distribución, lo cual todo ese trayecto nos genera un costo que debe ser cargado al precio de venta al público (pvp).
Las cargas estructurales dentro y fuera del invernadero dependen de factores climáticos que afectan el peso de la estructura, a estos pesos se los conoce como cargas muertas, como son el polvo, granizo, agua estancada, ceniza entre otros.
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
El primer trabajo publicado sobre crecimiento de plantas terrestres sin suelo fue, Sylva Sylvarum (1627) de Sr. Francis Bacon. Después de eso, la técnica del agua se popularizó en la investigación. En 1699, John Woodward publicó sus experimentos de esta técnica con la menta verde. Woodward observó que las plantas crecían peor en agua destilada que en fuentes de agua no tan purificadas. Los primeros en perfeccionar las soluciones nutrientes minerales para el cultivo sin suelo fueron los botánicos alemanes Julius von Sachs y Wilhelm Knop en la década de 1860.
8 2.2 FUNDAMENTACIÓN LEGAL
Dentro de las normativas legales que existen en el país podemos destacar que se utilizaron norma ecuatoriana de la construcción NEC – 11, básicamente establece los rangos mínimos y máximos de pesos soportados en los cuales la estructura va a poder trabajar.
2.2.1 NORMATIVA PARA CONSTRUCCIÓN DEL INVERNADERO
La normativa NEC -11 utilizada como guía general para poder determinar los cálculos estructurales y poder diseñar el invernadero tomando en cuenta cargas estáticas y dinámicas a las cuales el invernadero va a estar expuesto.
La normativa da delimitaciones de los cálculos de diseño, esfuerzos a los cuales va a estar sometido la estructura así como también ayuda a poder elegir los materiales de construcción dependiendo de los resultados de los cálculos estructurales.
2.2.1.1 CARGAS GENERALES
Las limitaciones de los elementos, para los valores de KLL*AT es igual o
mayor a los 35 m2, pueden ser diseñados para cargas reducidas de acuerdo con la Ecuación:
Ecuación 2.1.
9 Lo: sobrecarga distribuida sin reducir, aplicada sobre el área tributaria del elemento de soporte, según Tabla 1
KLL: Factor de sobrecarga según el elemento de soporte, ver Tabla 2.
AT: Área tributaria en metros cuadrados
L: no será menor que: 0.5Lo para elementos que soportan un solo piso y, 0.4Lo para elementos que soportan dos pisos o más.
Tabla 2.1. Sobrecargas mínimas uniformemente distribuidas, Lo y concentradas, Po
Tabla 2.2. Factor de sobrecarga del elemento de soporte
2.2.1.2 CUBIERTAS PLANAS, INCLINADAS Y CURVAS
La sobrecarga de las cubiertas se las puede reducir utilizando la Ecuación: Lr=LoR1R2; Donde .60≤Lr≤1.00
10 Lr: Sobrecarga reducida de cubierta en proyección horizontal, en kN/m2 Lo: Sobrecarga no reducida de cubierta en proyección horizontal, en kN/m2 R1y R2: factores de reducción de conformidad con las siguientes formulas: 1 para AT ≤ 18.00m2
R1: 1.2 – 0.011 AT para 18.00m2 < AT < 56.00m2 0.6 para AT≥56.00m2
1 para F ≤ 33.33%
R2: 1.2 – 0.006 F Para 33.33%< F < 100% 0.6 para F ≥ 100%
AT = Área total en metros cuadrados soportada por el elemento F = Pendiente de la cubierta, expresada en porcentaje
2.2.1.3 CARGAS POR VIENTO
La velocidad de diseño para viento hasta 10 m de altura, será la adecuada la velocidad máxima para la zona de ubicación de la edificación, pero no será menor a 75 Km/h, (Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11)
Tabla 2.3. Coeficiente de corrección (
Altura (m) Sin Obstrucción (Categoría A) Obstrucción Baja (Categoría B) Zona Edificada (Categoría C)
5 0,91 0,86 0,8
10 1 0,9 0,8
20 1,06 0,97 0,88
40 1,14 1,03 0,96
80 1,21 1,14 1,06
150 1,28 1,22 1,15
Categoría A: Edificios frente al mar, zonas rurales o espacios abiertos sin obstáculos topográficos.
11 Categoría C: Zonas urbanas con edificios de altura.
Los valores encontrados en la tabla 2.3 serán utilizados para poder determinar el factor de corrección con la siguiente ecuación:
Vh = V. Ecuación 2.3. Vh: Velocidad de diseño
V: Velocidad del viento
Coeficiente de corrección.2.2.2 NORMATIVA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CULTIVOS HIDROPÓNICOS
La normativa para la construcción de cultivos hidropónicos dentro de invernaderos utilizada es UNE-EN 13031-1, la cual es una norma europea que nos brinda conceptos sobre el diseño y la construcción de invernaderos para la producción de plantas comerciales, así como también nos dan las pautas para la construcción de los cultivos hidropónicos dentro de un invernadero.
La norma nos ayuda a evaluar todos los aspectos para el diseño y construcción del invernadero, evaluando cargas muertas, diseño de orientación del invernadero dependiendo del viento ya que influye directamente en el control de temperatura.
2.2.2.1 REQUISITOS Y NORMAS QUE DEBEN CUMPLIR LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
12 se encuentren vigentes; de no existir estos se remitirán a los requisitos dados en las normas ASTM.
En el caso que, el RTE INEN o la NTE INEN, no se encuentren actualizados, se hará referencia a las normas ASTM vigentes.
2.2.3 NORMAS ELÉCTRICAS PARA CABLEADO
La normativa eléctrica aplicable a la construcción del invernadero es NEC – 10, ya que nos detalla las normativas a seguir para conexiones eléctricas de bajo voltaje, como colocar las acometidas, como deben ir los cables eléctricos dentro de tubería o manguera aisladora, distancias mínimas de seguridad, instalación de medidores entre otros.
2.3 CATEGORÍAS FUNDAMENTALES
2.3.1 CULTIVO HIDROPÓNICO
La palabra “hidroponía” viene de hidros agua y pones trabajo lo que designa una finalidad que es proporcionar a cualquier tipo de planta o fruto un medio idóneo para el desarrollo y florecimiento del cultivo.
La hidroponía es el arte de cultivar las plantas sin el uso de tierra. En la práctica existen los llamados “cultivos sin suelo” que son métodos hidropónicos al ciento por ciento porque la tierra es reemplazada por un sustrato inerte como: turba, arena gruesa, grava, aserrín, cascarilla de arroz, entre otros a los que se le agrega una solución nutriente o alimento con todos los elementos esenciales requeridos por la planta para su crecimiento y desarrollo normal.
13 Es un método que consiste en cultivar plantas sin necesidad de suelo; se utiliza minerales disueltos en solución para que sean absorbidos por las raíces y asimiladas por la planta para que ésta logre su desarrollo.
El cultivo hidropónico o cultivo sin suelo es la mejor manera de tener un control total sobre el crecimiento saludable de las plantas. "Se lo emplea de manera frecuente para uso comercial, en el cultivo del tomate, la lechuga y una gran variedad de vegetales" (Labioguia, 2013)
De ahí la importancia de que los cultivos hidropónicos se transformen en la alternativa de cultivar productos frescos, sanos de buen sabor de un precio aceptable. El cultivo hidropónico consiste en un sustrato: generalmente arcilla expansiva, al que se suministra agua con los nutrientes incorporados y que puede ser regado continuamente, siempre que el líquido sea drenado y no inunde el sustrato para aprovechar al máximo el agua. "Las ventajas obtenidas por este método de cultivo son la rapidez en el crecimiento y maduración de la planta, pudiéndose acortar los ciclos en un 60% respecto a los de la misma planta en su entorno natural". (Labioguia, 2013)
El modelo fue perfeccionado por europeos e israelíes: unos para defenderse del brumoso frío y otros para evitar la aridez del desierto. Sin embargo, esos esfuerzos sólo acabaron de fructificar al difundirse nuevos sistemas de anclaje para la raíz; gracias a los cuales es posible cultivar una amplia gama de vegetales en periodos dos o tres veces más cortos. Obteniendo ejemplares de extraordinaria calidad; ahorrando tanto agua como nutrientes en proporciones asombrosas.
14 Con esta tecnología la agricultura común pasaría a desarrollarse como agricultura urbana ya que se aprovecharía productivamente, partes o espacios de áreas reducidas en sectores urbanos de la ciudad de Quito. Además también se aprovecharía parte del tiempo libre del que disponen algunos miembros de cada familia en la recolección y control del cultivo, en vez de desaprovecharlo en actividades que poco contribuyen al desarrollo. Las productividades potenciales de los cultivos hidropónicos, cuando son realizados en condiciones tecnológicas óptimas, son superiores a las obtenidas mediante el sistema tradicional de cultivo hortícola
2.3.1.1 Generalidades de los cultivos hidropónicos
En los tiempos antiguos los aztecas fueron la primera civilización humana en usar agricultura hidropónica eficientemente. Esta técnica mediante el uso de una Chinampa, método de cultivo antiguo a base de balsas cubiertas con tierra que sirve para que se desarrolle el cultivo, ocupó 100% de lo que era el lago de Xochimilco - México, que en el año 1987 fueron declarados patrimonio de la humanidad por la UNESCO
Cultivo Antiguo Chinampa Fuente: (Cultura Colectiva, 2010)
15 agua en condiciones naturales, el suelo actúa como reserva de nutrientes minerales, pero el suelo en sí no es esencial para que la planta crezca. Cuando los nutrientes minerales de la tierra se disuelven en agua, las raíces de la planta son capaces de absorberlos, cuando los nutrientes minerales son introducidos dentro del suministro de agua de la planta, ya no se requiere el suelo para que la planta prospere.
Casi cualquier planta terrestre puede crecer con hidroponía, aunque algunas pueden hacerlo mejor que otras. La hidroponía es también una técnica estándar en la investigación biológica y en la educación, y un popular pasatiempo.
Hoy en día, esta actividad está alcanzando un gran auge en los países donde las condiciones para la agricultura resultan adversas. Combinando la hidroponía con un buen manejo del invernadero se llegan a obtener rendimientos muy superiores a los que se obtienen en cultivos a cielo abierto.
Es una forma sencilla, limpia y de bajo costo para producir vegetales de rápido crecimiento y generalmente ricos en elementos nutritivos. Con esta técnica de agricultura a pequeña escala se utilizan los recursos que las personas tienen a mano, como materiales de desecho, espacios sin utilizar y tiempo libre.
2.3.1.2 Concepto de cultivo hidropónico
16 2.3.1.3 Importancia del cultivo hidropónico
La hidroponía en un mundo sobrepoblado, con suelos erosionados, con índices cada vez mayores de contaminación, plantea una solución ecológica por sus especiales características que brinda nuevas posibilidades de cultivo, sin necesidad del suelo agrícola, donde los cultivos tradicionales están agotados como alternativa.
Particularmente en las grandes ciudades, en ellas, el ciudadano es afectado por dos factores convergentes: los precios de los alimentos vegetales, que son a medida que el tiempo avanza, comparativamente más caros que los productos industrializados, y la dudosa e irregular calidad de los mismos. Este último aspecto, que hace a la salud del consumidor, pone en un mismo plano de vulnerabilidad y desprotección, a grandes y chicos como a ricos y pobres. Y no es casualidad, que hayamos comenzado resaltando estos dos aspectos negativos, ya que durante muchos años, los consumidores de Latinoamérica han estado protegidos contra los altos costos que tenía la alimentación en otras partes del mundo, a causa de la confluencia de varios factores positivos en su geografía agrícola, tales como la calidad de los suelos, la diversidad de climas, un adecuado régimen de lluvias, el bajo costo de producción y mercadeo, entre otros. Actualmente se utilizan pesticidas de alta toxicidad y se carece de los controles adecuados que aseguren el respeto a las normas vigentes en materia de sanidad vegetal. Un gran porcentaje de los alimentos que se consumen contienen elementos nocivos para la salud, y entre ellos, las verduras y frutas son las más expuestas, por ser las que transportan directamente a la mesa los residuos de los insecticidas y plaguicidas, a diferencia de lo que ocurre con la carne, la leche, los huevos, entre otros.
17 con recomendaciones de técnicas, materiales y métodos de cultivo de difícil implementación. (Hidroponia.gcaconsultora, 2013)
2.3.1.4 Ventajas de los cultivos hidropónicos
Proveer a las raíces en todo momento un nivel de humedad constante, independiente del clima o de la etapa de crecimiento del cultivo.
Reducir el riesgo por excesos de irrigación.
Asegurar la irrigación en toda el área.
Reducir considerablemente las enfermedades producidas por agentes patógenos del suelo.
Aumentar los rendimientos y mejorar la calidad de producción.
Reducir costos de producción
Ser independiente de fenómenos meteorológicos.
Producir cosechas fuera de estación.
Aumentar la producción con reducción de espacio y capital.
Ahorrar agua. y fertilizantes
Higiene en el manejo del cultivo (siembra-cosecha).
Cultivo libre de contaminación, parásitos, bacterias y hongos.
Disminución de tiempo de recuperación de la inversión.
Reducción del periodo de cultivo.
Automatización de la producción.
Elimina la erosión del suelo.
Soluciona problemas de producción en zonas áridas o frías.
Cultivo en ciudades.
Uniformidad en los cultivos.
Utilización de nutrientes limpios y naturales.
Ausencia de maquinaria agrícola
18 La finalidad de cualquier medio de cultivo es conseguir una planta de calidad en el más corto período de tiempo, con costes de producción mínimos, en este sentido los cultivos sin suelo, también denominados cultivos hidropónicos, surgen como una alternativa a la Agricultura tradicional, cuyo principal objetivo es eliminar o disminuir los factores limitantes del crecimiento vegetal asociados a las características del suelo, sustituyéndolo por otros soportes de cultivo y aplicando técnicas de fertilización alternativas. La Ciencia de los Sustratos alternativos tiene como base el cultivo de plantas sin utilizar el suelo, de forma que las raíces de las mismas se encuentren suspendidas lo que se conoce con el nombre de hidroponía, en la propia disolución nutritiva, ya que las plantas absorben los nutrientes que necesitan y el resto es desechado, pero como se mantiene en riego constante las raíces podemos evitar la anaerobiosis que causaría la muerte inmediata del cultivo.
Los cultivos sin suelo presentan unas características diferenciales importantes en comparación con el cultivo en suelo natural, entre ellas cabe destacar:
El control riguroso de los aspectos relacionados con el suministro de agua y nutrientes, especialmente cuando se trabaja en sistemas cerrados.
La capacidad de residuos y subproductos para ser utilizados como sustratos de cultivo hidropónico.
19 el sudeste, destacando el cultivo de hortalizas. La expansión está siendo más lenta en Italia y Grecia. En Alemania, norte de Francia, Reino Unido y Bélgica, las hortalizas se cultivan principalmente en sistemas hidropónicos abiertos, Horticultural Engineering ACESYS IV International Conference, 2001.
2.3.2 INVERNADERO
2.3.2.1 Concepto de invernadero
Un invernadero es un lugar cerrado que principalmente sirve para cultivos de producción, donde se puede acumular el calor permitiendo el control de temperatura, humedad entre otros.
Debido a que son construidos con vidrios translucidos o plásticos que permiten el paso de la luz solar al interior del invernadero, aprovechan el efecto de radiación solar, que calientan los objetos que están en el interior.
Al ser calentados los objetos que se encuentran en el interior del invernadero, emiten radiación infrarroja, pero esta radiación no puede atravesar el vidrio ni el plástico para poder salir, quedando atrapado manteniendo la temperatura en el interior
2.3.2.2 Importancia y ventajas de los invernaderos
Los invernaderos brindan la posibilidad de obtener productos, que generalmente en cultivos tradicionales no se puede dar por el clima variante, un invernadero es una alternativa para poder tener el control sobre la temperatura de un cultivo específico y ayudar a desarrollarlo.
20 Los invernaderos como poseen vidrios translucidos o plástico, lo que incrementa el control de plagas, maleza y enfermedades, evitando el ingreso de todos estos agentes malignos para el cultivo.
Permite la posibilidad de cultivar todo el año, debido a que dentro del invernadero se tiene independencia con el medio exterior, es posible tener cultivos todo el año independiente de sus estaciones.
2.3.2.3 Variables del control en el invernadero
Dentro de las variables de control dentro del invernadero, tenemos el control de temperatura, el cual dependiendo de la temperatura que necesite el cultivo nos permitirá tener la temperatura interna del invernadero, dentro de los rangos óptimos de temperatura que necesita el cultivo.
Control de riego, el riego en un cultivo hidropónico juega un papel muy fundamental ya que no se debe exceder la cantidad de agua que necesita el cultivo, ni tampoco al cultivo le debe faltar el agua ya que se podría correr el riesgo de que todo el cultivo muera.
El riego por goteo es muy usado en la actualidad ya viene determinado la cantidad de agua que se necesita para los cultivos y el goteo nos evita tener desperdicio de agua y sustratos utilizados para el desarrollo del cultivo
2.3.2.4 Factores que inciden en la elección del invernadero
Algunos factores importantes que hay que tener en cuenta al momento de elegir el invernadero que vamos a usar depende de:
Tipo de Cultivo
Temperatura
Humedad
21
Seguridad
2.3.2.5 Control de riego en invernadero
El control de riego utilizado en el invernadero consta de sensores de nivel los cuales ayudan a determinar la cantidad de agua que se necesita para poder regar a todo el cultivo.
Se usaron actuadores que permiten crear un lazo cerrado de control dentro del invernadero devolviendo el agua usada en el sistema a su estado inicial, evitando las perdidas, también se usó electroválvulas que ayudan al control del paso de agua al sistema de riego.
2.3.3 IMPORTANCIA DE TRABAJAR CON LOS CULTIVOS HIDROPÓNICOS E INVERNADEROS
2.3.3.1 Infraestructura física
Para poder determinar la infraestructura física del invernadero, es necesario poder calcular todo el peso al que va estar sometido el invernadero, para realizar una preselección de los materiales a utilizarse.
Dependiendo de las características del cultivo, peso, sistema de riego, se podrá diseñar el invernadero de acuerdo a las necesidades solicitadas, es muy probable que un cultivo necesite mucho más espacio para poder desarrollarse de manera optima, que otros cultivos.
Los sistemas de riego usados en los invernaderos dependen directamente de los cultivos a usarse ya que existen diferentes sistemas de riego dependiendo de la cantidad de agua que necesite el cultivo así como también dependen de la altura de la planta al momento de desarrollarse.
22 El sistema de irrigación usado es el sistema de riego por goteo, el cual permite tener un control del riego y de las vitaminas y sustratos que están ingresando al cultivo, el sistema de riego por goteo, a diferencia de otros sistemas de riego, tiene la ventaja que el riego es controlado y no permite el exceso de riego ni el desperdicio de agua.
Cuando un cultivo es regado de manera eficiente se pueden aumentar la productividad y los rendimientos, también determinan un incremento en el éxito económico de las actividades de producción de los cultivos, estos beneficios basados en el conocimiento de tipo de suelo, planta, atmosfera constituyan una inversión para poder obtener los frutos de una manera ágil. Cuando un cultivo es regado de manera excesiva, dos gotas por minuto en sistemas de riego por goteo, se presenta el problema de salinización del suelo, que es la acumulación de sales o sustratos en la capa superficial del suelo, es muy probable que con las lluvias estas sales y sustratos se laven y el suelo pueda ser cultivado nuevamente, pero en otros casos la salinización es tan profunda que se necesita la mezcla de este suelo con abono para que pueda volver a ser productivo.
2.3.3.3 Sistema de ventilación
El sistema de ventilación para poder controlar la temperatura usará sensores de temperatura para poder medir un rango promedio de la temperatura actual dentro del invernadero, dependiendo del cultivo y de la temperatura un actuador subirá o bajara una cortina dentro del lado izquierdo del invernadero, lo que permitirá la circulación del aire dentro del mismo, logrando mantener a todo el cultivo a la temperatura necesaria.
2.3.3.4 Sistema de seguridad para el ingreso
23 2.3.4 SISTEMA EMBEBIDOS
2.3.4.1 Concepto de un sistema embebido
Un sistema embebido es un conjunto de dispositivos usados para poder controlar los equipos, maquinaria, industrias entre otros, el término “embebido” también se lo conoce como “incrustado” o “embutido” está caracterizado de esta forma debido a que puede ser parte integral de varios sistemas.
2.3.4.2 Partes de un sistema embebido
Dentro de los sistemas embebidos podemos encontrar algunas partes que forman parte esencial del sistema:
Microprocesador
Micro controlador
Memoria Interna
Memoria Externa
E/S Analógicas
E/S Digitales
Digitalizador de Señales
Módulo Reloj
Módulo de Energía
2.3.4.3 Micro controlador
24 Micro controlador
Fuente: (www.microchip.com)
Existen de diferentes tipos y se los usa dependiendo de los requerimientos en los cuales los vayamos a usar pueden existir micro controladores pequeños para funciones básicas, debido que son diseñados para reducir costos económicos así como también consumo de energía.
2.3.4.4 Sensores
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor)
(Wikipedia-Sensor, 2013)
2.3.4.4.1 Sensor de temperatura
25 Las temperaturas inexactas pueden causar daños graves a los equipos con los que estemos trabajando, o a su vez, reducir la vida útil de los mismos si sufre un sobrecalentamiento de unos grados.
Pueden ser clasificados, dependiendo de su principio de funcionamiento:
Sensores bimetálicos.
Sensores termo resistivos.
Sensores termoeléctricos.
Sensores monolíticos o de silicio.
Sensores piro eléctricos.
Resistencias detectoras de temperatura (RTD)
Termistores.
2.3.4.4.2 Sensor táctil
Los sensores táctiles son dispositivos que indican el contacto de algún objeto sólido con ellos mismos. Suelen ser empleados en los extremos de los brazos de robot (pinzas) para controlar la manipulación de objetos. A su vez se pueden dividir en dos tipos: de contacto y de fuerza. Pasamos a continuación a hablar de cada uno de los dos tipos.
En campos como la robótica se han desarrollado conjuntos de detección táctil, capaces de proporcionar una información de contacto sobre un área más amplia que la que puede proporcionar un sensor único basado en transductores de pequeñas deformaciones. El empleo de este tipo de sensores se ilustra en la figura que muestra la mano de un manipulador en la que la superficie interior de cada dedo ha sido recubierta con una matriz táctil de detección, se trata de una matriz de micro interruptores todo-nada que proporcionan una información superficial de como se está produciendo el contacto.
26 sensores piezoeléctricos. Estos dispositivos se suelen llamar pieles artificiales.
(Info-ab.uclm.es, 2013) 2.3.4.5 Actuadores 2.3.4.5.1 Motores
1) Los motores dentro de la industria, podría decirse que son el corazón de todas las empresas, y como tal deben tener diferentes ritmos y velocidades diferentes, es por esto, que los reductores de velocidad o motor reductores son indispensables en la industria ecuatoriana, los reductores son diseñados a base de engranajes, mecanismos circulares, mecanismos dentados con geometrías especiales que dependen de la función de cada motor.
2) Sin la correcta fabricación de los motor reductores, las maquinas podrían verse afectados con la presencia de ruido, recalentamiento, deficiencias en el funcionamiento entre otros, es por eso que al momento de la fabricación de los reductores de velocidad se someten a controles de calidad para poder asegurar el correcto funcionamiento, en otras palabras los reductores de velocidad son sistemas de engranajes que permite que los motores eléctricos trabajen a diferentes velocidades.
27 Reductor de Velocidad o Motor Reductor.
Fuente: (www.catalogodebombas.com) 2.3.4.5.2 Solenoide
Un solenoide es cualquier dispositivo físico capaz de crear un campo magnético sumamente uniforme e intenso en su interior, y muy débil en el exterior. Un ejemplo teórico es el de una bobina de hilo conductor aislado y enrollado helicoidalmente, de longitud infinita. En ese caso ideal el campo magnético sería uniforme en su interior y, como consecuencia, fuera sería nulo.
En la práctica, una aproximación real a un solenoide es un alambre aislado, de longitud finita, enrollado en forma de hélice (bobina) o un número de espirales con un paso acorde a las necesidades, por el que circula una corriente eléctrica. Cuando esto sucede, se genera un campo magnético dentro de la bobina tanto más uniforme cuanto más larga sea la bobina. La bobina con un núcleo apropiado, se convierte en un electroimán. Se utiliza en gran medida para generar un campo magnético uniforme.
Se puede calcular el módulo del campo magnético en el tercio medio del solenoide según la ecuación:
Ecuación 2.4.
28
m: permeabilidad magnética.
N: número de espiras del solenoide.
i: corriente que circula.
L: longitud total del solenoide.
Mientras que el campo magnético en los extremos de este pueden aproximarse como:
Ecuación 2.5. Fuente: (Wikipedia-Solenoide, 2013)
Solenoide
Fuente: (Electromagnetismounaula, s.f.) 2.3.4.5.3 Bomba de agua
La bomba de agua es el dispositivo que hace circular el líquido refrigerante en el sistema de refrigeración del motor. Es accionada por una correa de transmisión y sólo funciona cuando el motor se encuentra encendido, va conectada al cigüeñal y hace circular el agua por el circuito de refrigeración y el motor, esto, se logra el intercambio de calor al ingresar el liquido por el radiador, el cual por corriente de aire disipa la temperatura.
29 Las bombas de agua son responsables de hacer circular el líquido refrigerante a través del bloque de motor, radiador, culata, etc. Así mismo deben asegurar una obturación óptima, ya que las pérdidas de refrigerante ocasionarían calentamientos del motor que podrían causar averías cuantiosas en el peor de los casos. Hoy en día las bombas de agua modernas son de fundición de aluminio como los motores de los vehículos. Existen varios tipos de Bombas de Agua entre ellos podemos encontrar:
Bombas manuales
Bombas sumergible
Bombas centrífuga
Bombas de agua accionadas con el agua
(Ingenieria del Jardin, 2013)
Bomba de Agua Fuente: (INAMHI) 2.3.4.5.4 Soldadura
La soldadura es un proceso donde se realiza la unión de dos o más materiales, generalmente metales usualmente se lo logra a través de la fusión, la soldadura obtiene fundiendo ambos materiales para adjuntar un material de relleno, también conocido como electrodo.
30
Gas
Arco Eléctrico
Laser rayo de electrones
Proceso de fricción o ultrasonido
La energía necesaria para poder obtener la soldadura proviene principalmente del arco eléctrico.
Soldadura, Arco Eléctrico.
El cálculo de esfuerzo en el cordón de soldadura se lo determina mediante una junta a tope típica con ranura en V, cargada longitudinalmente con una fuerza F
Cordón de soldadura.
31 Ecuación 2.6.
2.3.5 FALLAS ESTRUCTURALES
Diseño defectuoso, error de cálculo, análisis inadecuado de cargas.
Materiales de mala calidad, electrodos inadecuados en la soldadura, no se realizó un WPS, acero de calidad tipo B.
Conexiones, puntos más críticos y mezcla de materiales.
Fallas de cimentación, estructura torcida.
Sobrecarga, sobredimensión en la estructura metálica.
Fatiga, conexiones inadecuadas, mala realización de la soldadura, toda la estructura trabaja dinámicamente.
Corrosión, disminuye la rigidez
Resonancia, cuando la frecuencia de la estructura es igual a la frecuencia natural y los esfuerzos tienden al infinito.
Montaje, uniones empernadas inadecuadas, falta de ajuste, vibraciones en la estructura.
2.3.6 SEGURIDAD ESTRUCTURAL
Factor de seguridad, es un criterio que tiene que ver con el desarrollo tecnológico, con el entorno, cambia con los años (evolución de la tecnología de la soldadura), es variable con el tiempo.
Para el presente proyecto se va a considerar un factor de seguridad de 1,66.
32 Son cargas muertas y no varían con el tiempo.
Carga de peso propio Wpp
Siempre se considera como una carga uniformemente distribuida 2.3.7.2 CARGAS DINÁMICAS
Son cargas vivas y varían con el tiempo. Cargas de sismo WSS
Esta carga está en función de la masa-peso de la estructura, es una carga concentrada.
WSS = f(peso propio)
Para el análisis de la estructura se considerará un rango de 10%-20% del peso propio es decir:
WSS = 20% Wpp
Ecuación 2.7. Carga de viento Wv
Es una carga horizontal y distribuida.
Wv = f(geometria, velocidad del viento)
Para el análisis de la estructura del presente proyecto, como un criterio ingenieril se va a considerar una de las 2 cargas de dinámicas de sismo o viento.
Carga de granizo WG
Es una carga que se la puede relacionar con el ángulo de inclinación
α de la estructura.
Cargas tomadas para el criterio de diseño:
Carga de peso propio-carga muerta
Carga de sismo-carga viva
33 Para la obtención del perfil seleccionado para la construcción de la estructura se hace un análisis tramo por tramo considerándolo como una armadura plana.
En primer lugar se realiza un análisis de las cargas que actúan sobre toda la estructura, tomando en cuenta tramo a tramo.
2.3.7.3 CARGA DE SISMO-CARGA VIVA
Como una consideración ingenieril de diseño es estructuras metálicas, se considera a la carga de sismo ya que en el ciudad de Quito no se tiene registro de daños estructurales por viento, pero se tiene un alto grado de sismicidad.
SS
P E
Z I C
W CORTE BASAL V
R
Ecuación 2.8. Dónde:
Z es el factor de zona sísmica, Z=0.4, debido a que Quito es una zona de
alto riesgo sísmico
I es el factor de importancia, I1,0, debido a que nuestra estructura no
está especificada en el listado de la norma establecida por el INEC.
C es el factor de conducción de onda del suelo
S
1,25 S C
T
34 Zonificación sísmica del Ecuador
Fuente: (INAMHI)
Dónde:
S Es el coeficiente del suelo, S=1.2, en Quito se tiene un suelo tipo Cangagua que se clasifica como suelo intermedio.
T Es el período de vibración
3/4 T n
TC h
Dónde:
n
h
es la altura básica de la edificación medida desde la base, hn = 10m (Como dato critico de vibración)
Ct=0.09 para pórticos de acero
T = 0.09 ∗ 10 = 0.9
C =1.25 ∗ 1. 21.2
35
Res el factor de reducción de respuesta estructural R7 (pág. 31, tabla
7, CEC)
P es el coeficiente de configuración estructural de la planta P PA PB
Dónde:
PA
Es el mínimo valor de PA 1,0, debido a que no existen irregularidades
en nuestra estructura.
PB 1,0
De igual manera porque no existen irregularidades en la
configuración de nuestra estructura.
P 1,0
E EA EB EC
E 1,0
De igual manera debido a que no hay irregularidades en nuestra
estructura.
𝑊𝑠𝑠 =0.4 ∗ 1 ∗ 1.73
7 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 𝑊𝑝𝑝 Wss = 0.15 kg
2.3.8 ANÁLISIS DE CLIMA
Según datos recaudados del INAMHI (Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología), se puede observar los cambios de temperatura a los cuales nos encontramos expuestos.
El cultivo Hidropónico se construyó al Norte de la ciudad de Quito donde encontramos temperaturas que van desde los 8°C hasta los 22°C, debido a que el Ecuador se encuentra geográficamente dentro del cinturón tropical, zona que se ve afectada directamente por cambios atmosféricos de baja presión.
37 Temperaturas Máximas y Mínimas del Ecuador
38 La metodología usada es la metodología Mecatrónica, la cual propone investigar los diferentes aspectos mecánicos, electrónicos y sistemáticos que poseen las diferentes variables a controlar.
Los diferentes materiales que existe en la industria Ecuatoriana son escasos, es por esto que se debe determinar materiales a usarse ya que la mayoría de veces el acero en el mercado ecuatoriano no coincide con el acero elegido en los cálculos estructurales, es por esto que se debe hacer énfasis en tener un criterio de diseño para poder saber elegir los materiales de construcción.
3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
El sistema de control dentro del invernadero deberá cumplir con los siguientes requerimientos:
Se debe conocer las fuerzas que actúan sobre la estructura, para poder determinar el uso de materiales que se van a usar, partiendo de eso se evaluaran los cálculos estructurales, conjuntamente con la ayuda de programas informáticos que nos ayudan a acercarnos más a una respuesta ideal para evitar tener fallos en las estructuras.
También se debe tomar en cuenta la temperatura dentro y fuera del invernadero, ya que por estar ubicado al norte de la ciudad de quito, la precipitación climática incide en la variación de temperatura, lo que se necesita para que las plantas se desarrollen de una mejor manera es mantener la temperatura del invernadero estable dependiendo de las necesidades de cada cultivo:
Rábanos: 18°C
Fresas: 27°C
Zanahorias 17°C
39 El sistema de riego se basará con manguera de riego por goteo la cual permite paso de agua constante para que caiga una gota por segundo, la separación de cada gotero viene de 20cm cada uno, se usara una longitud horizontal de riego de 3,20 metros, para lo cual tendremos una capacidad de 16 goteros instalados en un piso.
3.2 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
El enfoque utilizado para el proyecto de investigación es el enfoque predominante cuantitativo el cual mediante los estudios realizados podemos determinar los beneficios de un cultivo hidropónico son realmente mucho mejor que el consumo normal.
En el año 2003, el instituto nacional de aprendizaje (INA), realizo un estudio sobre la producción hidropónica sobre sustrato solido en una granja modelo, poniendo a prueba a varias hortalizas, sometiéndolas al desarrollo hidropónico.
40 Figura 3.1. Hortalizas en cultivo hidropónico en un granja modelo
Fuente: Proyecto Hidroponía, Granja Modelo, INA, Año 2003
3.3 MODALIDAD BÁSICA DE INVESTIGACIÓN
Debido que los cultivos hidropónicos son una manera nueva de cultivo en Ecuador, aun no existe documentación científica sustentable para poder determinar a ciencia exacta los resultados de los cultivos hidropónicos, es por esta razón que se plantea la modalidad básica de la investigación experimental, ya que a medida que los cultivos va creciendo desarrollándose podremos darnos cuentan de los cambio que se tienen antes y durante el crecimiento y desarrollo del cultivo hidropónico
3.4 TIPO DE INVESTIGACIÓN
41 Se exploraron opciones de cultivos que resistan la temperatura ambiente de quito la cual va de una temperatura en días normales de mínima: 9.7°C y máxima de 17.5 °C
Tabla 3.1. Temperaturas de la ciudad de Quito Máxima
(°C)
Mínima (°C)
15 8
16 9
13 8
14 7
16 5
16 4
15 7
15 8
21 9
17 14
18 14
21 14
22 13
21 13
22 12
17,5 9,7
Fuente: (Tutiempo.net, s.f.)
3.5 POBLACIÓN Y MUESTRA
3.5.1 POBLACIÓN
42 no es muy común verlo, así como también de rábanos y zanahorias, pero con un ambiente de temperatura controlado podremos tener estos cultivos en la ciudad de quito.
3.5.2 MUESTRA
Los cultivos escogidos por sus temperaturas para hacer una automatización durante el crecimiento y desarrollo del cultivo son:
Fresas
Rábanos
Zanahorias
Debido a sus temperaturas, ya que necesitan ambientes controlados para desarrollarse la mayoría de estos cultivos necesitan de un invernadero para poder desarrollarse.
Tabla 3.2. Temperaturas Óptima de la Fresa
Máxima (°C) Mínima (°C)
18 8
Tabla 3.3. Temperaturas Óptima de la Rábanos Máxima
(°C)
Mínima (°C)
29 7
Tabla 3.4. Temperaturas Óptima de la Zanahorias Máxima
(°C)
Mínima (°C)
43
3.6 PARÁMETROS DE CONTROL
3.6.1 RIEGO
En el Ecuador se usan con más frecuencia 5 tipos de sistemas de riego para el cultivo:
Sistema de riego por micro aspersión.
Sistema de riego por aspersión.
Sistema de riego por goteo.
Sistema de riego por inundación.
Sistema de riego por canales.
Los sistemas de riego de manera industrial se lo realiza a gran escala debido que estos sistemas de riego se los realiza mediante la construcción de estructuras horizontales con aspersores también llamados pivotes es muy común ver este tipo de sistema de riego en lo que son las haciendas ganaderas, según el Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuacultura y Pesca, en el país hay 12,3 millones de hectáreas cultivadas. De esas, 3,3 millones son pastos de acuerdo con Xavier Vascones, gerente de ventas de Agro Consultores, es el cultivo que más utiliza la aspersión, seguido por el banano.
44
3.7 DISEÑO
DE
INVERNADEROS
POR
CRITERIOS
PONDERADOS
Tabla 3.5. Tabla de Criterios Ponderados
Conocimiento Costos Materiales Mercado
Trabajos antes realizados
Libros Revistas Total
MECÁNICA
PVC 3 1 3 1 3 1 12
Acero 3 3 3 5 5 5 24
Soldadura 3 3 5 5 3 1 20
Unión por
pernos 1 3 5 1 1 1 12
ELECTRÓNICA
Micro
Controlador 5 5 5 3 3 1 22
Plc 1 1 1 1 1 1 6
MATERIALES Plástico de
Invernadero 3 5 3 5 3 1 20
Vidrio 1 1 1 3 1 1 8
Diseño CAD 3 3 3 1 3 3 16
Cálculos de
diseño 3 3 1 3 3 1 14
Mediante los criterios ponderados se puede determinar que para la construcción del invernadero es recomendable utilizar Acero, para las juntas se recomienda usar soldadura.
En la parte electrónica es recomendable usar micro controlador debido a que un PIC es más fácil de encontrar en el mercado, en cuestión de conocimientos y programación los dos sistemas de control son aptos para este proyecto.
45 Los cálculos de diseño y diseño CAD son los mas recomendables aplicar a este proyecto, debido que los programas que actualmente existen simulan todas las fuerzas y cargas que va a soportar el invernadero.
3.8 QUÍMICOS QUE SE VAN A USAR
Dentro de las técnicas de cultivo que el hombre ha desarrollado durante miles de años, la hidroponía representa lo más avanzado y moderno. Es sin duda, la forma de cultivar del futuro.
Existen compuestos químicos que ayudan al desarrollo y crecimiento del cultivo hidropónico entre algunos tenemos:
Nitrógeno (N)
Fósforo (P)
Potasio (K)
Calcio (Ca)
Magnesio (Mg)
Azufre (S)
Cloro (Cl)
Hierro (Fe)
Cobre (Cu)
Manganeso (Mn)
Boro (B)
Zinc (Zn)
Molibdeno (Mo)
Todos estos compuestos antes mencionados en cantidades y dosificaciones adecuadas ayudan al desarrollo y protección del cultivo hidropónico.
46 La dosificación de estos componentes químicos serán de acuerdo a cada cultivo, de esto dependerá las proporciones de mezclas y vitaminas para cada planta, debido que las plantas absorben nutrientes necesarios para su desarrollo el resto de nutrientes y vitaminas son desechados por la misma planta es por esto que se recomienda dosificar cantidades necesarias para cada cultivo.
3.8.1 ÁREA DE CONSTRUCCIÓN
El área de construcción se encuentra ubicado en el sector de monteserrín al norte de la ciudad de quito, donde se instalara un invernadero sobre una losa reforzada de las siguientes dimensiones:
Largo: 5 m.
Ancho: 3m.
Espesor: 12 cm.
Para el presente proyecto se requirió un análisis de las actividades realizadas para el diseño e implementación de un modelo de sistema por goteo para gestionar su cultivo hidropónico. Para recopilar dicha información se analizo los siguientes parámetros:
Temperatura
Sistema de riego
Acondicionamiento de espacio para el sistema
Dimensionamiento del invernadero
Para lo cual se necesitó de los análisis estructurales para poder determinar si la loza reforzada en el sector de Monteserrín iba a poder ser capaz de soportar la estructura.
47 críticos de la estructura para poder determinar la correcta selección de materiales.
Figura 3.2. Diseño del Invernadero Fuente: (SAP2000 - Michael Mena) 3.8.2 ANALISIS ESTRUCTURAL
El analisis de la estructura depende de las cargas que va a soportar, sometiendola a analisis de esfuerzos que permitan determinar los materiales que debemos usar para no tener fallos en la estructura.
Se trata de un problema de carga estática, además se usa para su construcción un material dúctil, por lo que pasa el análisis de diseño se va a emplear el caso C1 de “Método de fluencia para esfuerzos uniaxiales normales estáticos” MOTT ROBERT, Diseño de Elementos de Maquinas, 4ta edición, página 195.
