ESTUDIO DE DEFLEXIÓN PARA BANDEJA PORTACABLES SOBRE PIPERACK INDUSTRIAL
Jose TrujilloInforme24 de Marzo de 2019
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Nombre: José Antonio Trujillo Panza
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Contenido
1. Resumen. 2
2. Introducción. 2
3. Objetivos. 2
3.1 Objetivos General. 2
3.2 Objetivos Específicos. 3
4. Limitaciones. 3
5. Antecedentes. 3
6. Marco Teórico. 4
6.1 Método de Elementos Finitos (MEF). 4
6.2 Hipótesis de Falla: Teoría de la Energía de Distorsión. 6
7. Elección de Bandeja Portacables. 6
7.1 Material. 6
7.2 Tipo de Bandeja. 6
7.3 Ancho de Bandeja. 7
8. Modelado. 9
9. Parámetros en SolidWorks. 10
9.1 Sujeciones. 10
9.2 Fuerzas externas. 11
9.3 Mallado. 11
10. Resultados. 13
10.1 Estudio 1: Espesor 2,5mm. 13
10.2 Estudio 2: Espesor 3mm. 15
11. Conclusión y Recomendación. 16
Resumen.
En el presente informe, se presenta el modelado, cálculos preliminares y cálculos de deflexión de una bandeja portacable, la cual transportará conductores de baja tensión y de altas secciones transversales, sobre un Pipe Rack industrial.
Introducción.
La bandeja portacables se ha convertido en una parte crítica de la industria, comercio y construcción. Es una solución rápida, económica, flexible a muchos de los problemas que se enfrentan en las instalaciones eléctricas de nuestros días.
La bandeja portacables es un sistema de apoyo rígido continuo diseñado para llevar cables eléctricos. Puede soportar líneas de potencia de alto voltaje, cables de distribución de potencia de baja tensión, cables de control y distintos tipos de cables para telecomunicaciones. Es una forma segura de llevar grandes números de cables a distancias considerables entre sus puntos de origen y destino.
Las bandejas portacables soportan todo el peso de los cables de manera similar a un puente para tráfico automotor. Un puente es una vía que permite un transporte seguro para el tráfico automotor entre los soportes, en forma similar la bandeja portacables es una vía que proporciona transporte seguro para el tendido de cables entre los soportes.
Por consiguiente, piense en las bandejas portacables como el componente estructural del sistema de canalización eléctrico de su edificio o construcción. La bandeja debe llevar encima una carga específica segura de cables entre dos soportes. Las vigas de acero estructurales en el techo de un edificio o un puente encima del río hacen la misma función en forma análoga.
En este informe se modela el comportamiento de la bandeja ante la carga de los conductores que transporta y la distancia entre soportes establecidos por la estructura de soporte, que en este caso es unos bastidores de tubos de acero estructural ya instalado en el sitio, para así conocer el comportamiento de la misma y saber sus dimensiones y verificar si se cumple con las normativas pertinentes.
Objetivos.
Objetivos General.
- Elegir el modelo de bandeja portacables que cumpla con todas las condiciones requeridas
Objetivos Específicos.
- Determinar la carga de los conductores que transportara la bandeja.
- Estimar las dimensiones requeridas de la bandeja.
- Modelar la estructura en SolidWorks.
- Realizar análisis estático para obtener los esfuerzos y desplazamientos verticales más significativos.
Limitaciones.
- Se supondrán uniones rígidas, entendiendo que en la realidad deben considerarse las uniones mediantes pernos entre bandeja y viga y cordones de soldadura en los extremos de las vigas de soporte, lo que atañe un análisis de mayor profundidad.
- Se estudia solo un tramo del recorrido total de la bandeja portacable. El tramo comprende la distancia entre dos soportes intermedios.
Antecedentes.
La Industria posee unos bastidores de tubos de acero estructural (Pipe Rack), donde se apoyan tres hileras de tuberías como se muestra en la Figura 1. Dicha estructura es la que servirá de apoyo para la bandeja, ya que esta se colocará en la parte superior. La separación entre vigas de apoyo (vigas de color azul) es de 3 metros, por tal motivo la bandeja portacables debe ser diseñada para soportar el peso de los conductores y cumplir la restricción de la normativa del país de la industria, en este caso Venezuela, la norma C.E.N Código Eléctrico Nacional COVENIN 200, para esta separación de soportes. Adicionalmente la bandeja debe ser dimensionada para transportar 5 acometidas, las cuales se detallan en la Tabla 1.
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Figura 1: Modelo de Pipe Rack de la industria en AutoCAD 3D.
Tabla 1: Especificaciones de las acometidas eléctricas
Número de Conductores | Tipo de Conductor | Acometida |
2 | Conductor unipolar de tipo TTU (90°) calibre #4/0 AWG (sección: 270,26 mm^2) | Tablero de distribución de luminarias |
4 | Conductor unipolar de tipo TTU (90°) calibre 250 MCM (sección: 355,33 mm^2) | Tablero de distribución de equipos de refrigeración industrial |
3 | Conductor multipolar de 4 hilos de tipo TTU (90°) calibre #350 MCM (sección: 2332,83 mm^2) | Alimentación a tres motores compresores |
1 | Conductor multipolar de 3 hilos de tipo TTU (90°) calibre #500 MCM (sección: 2454,23 mm^2) | Tablero de distribución de maquinarias área #2 |
3 | Conductor unipolar de tipo TTU (90°) calibre #1000 MCM (sección: 1086,87 mm^2) | Tablero de distribución de maquinarias área #1 |
1 | Conductor unipolar de tipo TTU (90°) calibre #250 MCM (sección: 355,33 mm^2) |
Marco Teórico.
SOLIDWORKS Simulation utiliza el método de formulación de desplazamientos de elementos finitos para calcular desplazamientos, deformaciones y tensiones de los componentes con cargas internas y externas.
A continuación, se presentan una serie de definiciones relacionadas con el método de cálculo utilizado y la teoría de esfuerzos que será aplicada.
Método de Elementos Finitos (MEF).
El método del elemento finito es una técnica numérica para resolver problemas que se pueden describir por ecuaciones diferenciales parciales o que pueden ser formulados por medio de una minimización de un funcional (cálculo variacional), siendo además este método una extensión del Cálculo Matricial de Estructuras (CM), siendo este último un método en el que se presenta un elevado número de variables ordenadas en forma de matrices. Por consiguiente el método del elemento finito es una herramienta de análisis muy poderosa que permite obtener soluciones aproximadas a una amplia variedad de problemas de mecánica en el continuo.
El método trabaja dividiendo la región de solución en elementos y expresando las variables de campo incógnitas en términos de funciones aproximadas dentro de cada elemento.
En turno, las funciones aproximadas se expresan en términos de valores de la variable de campo para ciertos puntos llamados nodos o puntos nodales. El conjunto de nodos configura una malla o rejilla de solución para el problema. Para mejorar la precisión de los resultados en una zona determinada, se puede definir el control de malla local en vértices, puntos, bordes, caras y componentes.
SOLIDWORKS Simulation usa dos comprobaciones importantes para medir la calidad de los elementos de una malla:
- Comprobación de la relación de aspecto.
- Puntos jacobianos.
Esta malla puede o no seguir la configuración física del campo. Por ejemplo, se puede trasladar el problema al campo de solución matemático, cuyas fronteras pueden no coincidir con las orillas del cuerpo físico.
Existen básicamente dos maneras de formular y resolver las ecuaciones del sistema:
- Aproximación directa: A través de los métodos directos, tales como los métodos de Gauss y de factorización de Cholesky.
- Aproximación Variacional o iterativa: los métodos iterativos, tales como los métodos de Gauss-Seidel y el de Jacobi.
Para sistema de ecuaciones no-lineales, los procedimientos de solución más utilizados son el método de Picard, el método de Newton-Raphson y variaciones del método de Newton.
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