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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERIAS CARRERA DE INGENIERIA MECANICA CAMPUS KENNEDY

TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO

DISEÑO DE CUBIERTAS TELESCÓPICAS INTEGRALES PARA PISCINAS PARTICULARES

AUTORES: NICOLAS HEREDIA A. DANILO VILLAMARIN

Dirigido por: ING. WILLIAM DÍAZ

Quito, Junio del 2008

DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD Por el Director de Tesis. Certifico que la presente tesis ha sido elaborada en su totalidad por los Sres. Nicolás Heredia A. y Danilo Villamarín como requerimiento parcial a la obtención del titulo de Ingeniero Mecánico Industrial.

____________________ Ing. William Díaz DIRECTOR DE TESIS

Por los autores Nosotros, Nicolás Heredia A. y Danilo Villamarín declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluye en este documento. Los conceptos desarrollados, análisis realizados y las conclusiones del presente trabajo, son de exclusiva responsabilidad de los autores. La Universidad Politécnica Salesiana 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.

_______________

______________

Nicolás Heredia A. – Danilo Villamarín

i

DEDICATORIA

Este trabajo va dedicado a todas las personas que de manera desinteresada aportaron con un granito de arena para su culminación, tanto con palabras de aliento como con regaños en tiempos difíciles.

En especial a mi Madre y mi esposa María Isabel.

____________________ Danilo Villamarín ii

DEDICATORIA

Este proyecto lo dedico a mis Padres quienes con esfuerzo y entusiasmo me han demostrado su apoyo y confianza, en cada etapa de mi vida. Ellos hicieron posible la culminación de esta etapa, la más importante.

____________________ Nicolás Heredia A. iii

AGRADECIMIENTO

Nuestro agradecimiento para las personas que nos apoyaron en todo momento, Ingenieros y Compañeros testigos de nuestro esfuerzo y dedicación. A la Universidad Politécnica Salesiana un agradecimiento porque nos llevamos los mejores recuerdos.

_______________

______________

Nicolás Heredia A. – Danilo Villamarín iv

INTRODUCCIÓN El diseño de la Cubierta Telescópica que se planteo para este tesis esta proyectada para su construcción sobre piscinas particulares. Los materiales planificados para la construcción de la cubierta serán Acero y Aluminio estructural, fusionando estos materiales con la bondad y belleza del vidrio y la ligereza del policarbonato. El diseño es novedoso, observado en países desarrollados como es España, en el cual su uso es extendido en residencias y hoteles que poseen piscinas. El diseño desarrollado, muestra una arquitectura de vanguardia con elementos rectos y curvos en su estructura principal y acabados que cuidan la estética. La cubierta es funcional, presenta al usuario la posibilidad de tener una piscina descubierta para días soleados y cerrada para días fríos. El tiempo de ejecución para la construcción de la cubierta se proyecta prudente y su valor en comparación a los beneficios que ofrece esta acorde. En los elementos de la estructura que se diseñan como placas bases, columnas, vigas curvas, trabes, estructura de la cubierta, se emplean métodos de cálculo para la solución de la estructura como para el diseño. Además estos diseños se apoyan con la ayuda de software, con la introducción del programa SAP2000. Se aplicarán normas ecuatorianas referentes a códigos de la construcción y sus respectivas especificaciones, en el cálculo y diseño de la cubierta se emplean materiales existentes en el mercado ecuatoriano. La estructura estará diseñada con conexiones soldadas para rapidez y facilidad de montaje en el sitio, asegurando solidez y seguridad. El método que se aplicará para la realización de esta tesis será deductivo ya que partiendo de normas generales y procedimientos conocidos en la construcción de estructuras metálicas se llegará a un caso particular. v

INDICE DE CONTENIDO

•

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

xxi

•

ALCANCE

xxi

•

JUSTIFICACIÓN

xxii

•

OBJETIVOS

xxiii

o GENERAL o ESPECIFICOS •

VARIABLES E INDICADORES

xiv

•

HIPOTESIS

xiv

•

METODOLOGIA

xiv

•

RESUMEN

xv

CAPITULO I.- ESTUDIO DE MATERIALES

1.1 EL ALUMINIO

1

1.1.1 DESCRIPCIÓN

1

1.1.2 INFORMACIÓN ADICIONAL

2

1.1.3 APLICACIONES GENERALES

2

1.1.4 PROPIEDADES MECÁNICAS

3

1.1.4.1 Dureza

4

1.1.4.2 Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsión

4

1.1.4.3 Resistencia a la fatiga

5 vi

1.1.4.4 Influencia del material

5

1.1.4.5 Tenacidad

6

1.1.4.6 Resistencia al desgaste

6

1.1.5 VENTAJAS DEL ALUMINIO

7

1.2 EL POLICARBONATO

8

1.2.1 DESCRIPCIÓN:

8

1.2.2 INFORMACIÓN ADICIONAL

8

1.2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS RESPECTO AL VIDRIO

10

1.2.3.1 Ventajas:

10

1.2.3.2 Desventajas:

10

1.2.4 EL POLICARBONATO ANTE LA TRANSMISIÓN DE LUZ

11

1.2.5 PROPIEDADES FÍSICAS

12

1.2.6 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS

12

1.2.6.1 Resistencia al impacto

13

1.2.6.2 Curvatura

13

1.2.6.3 Coeficiente de Dilatación Térmica

14

1.3 EL ACRÍLICO

16

1.3.1 DESCRIPCIÓN

16

1.3.2 INFORMACIÓN ADICIONAL

16

1.3.3 CARACTERÍSTICAS

17

1.3.4 APLICACIONES Y USOS EN DIVERSOS SECTORES:

17

1.3.5 COMPARACIÓN CARACTERÍSTICAS ACRÍLICO, POLICARBONATO Y VIDRIO

18

1.4 EL VIDRIO 1.4.1 PROCESO DE PRODUCCIÓN

20 20 vii

1.4.2 PROPIEDADES MECÁNICAS

21

1.4.3 ESFUERZO DE CARGA

22

1.4.4 DUREZA

23

1.4.5 PROPIEDADES FÍSICAS

23

1.4.6 ESPECIFICACIONES Y MEDIDAS NORMALIZADAS

24

1.4.7 INSTALACIÓN

24

1.4.8 CONTROL DE RADIACIÓN SOLAR

25

1.4.9 PROCESO PARA DETERMINAR EL ESPESOR DEL VIDRIO

25

1.4.9.1 Velocidad del viento básico

26

1.4.9.2 Análisis simple

26

1.4.9.3 Presión producida por el viento

26

1.4.9.4 Cómo hallar el espesor del vidrio

27

CAPITULO II.- ANALISIS DE CARGAS

2.1 CARGAS

30

2.2 CARGAS MUERTAS

30

2.3 CARGAS VIVAS

31

2.3.1 CARGAS DE PISO.

31

2.3.2 HIELO Y NIEVE.

31

2.3.3 LLUVIA.

33

2.3.4 CARGAS DE GRANIZO

33

2.3.5 CARGAS LATERALES

34

2.3.6 CARGAS DE VIENTO

34 viii

2.3.7 CARGAS SÍSMICAS

36

2.4 DISEÑO DE CUBIERTAS

38

2.4.1 DISTRIBUCIÓN DE CARGAS

38

2.4.2 CARGA DE SEGURIDAD

39

CAPITULO III.- DISEÑO Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL

3.1 ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS

42

3.1.1 ESTUDIA DE ALTERNATIVAS

42

3.1.2 SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS

45

3.2 DIMENSIONES DE LA CUBIERTA

48

3.3 HIPOTESIS DE CARGAS

49

3.3.1 CARGA DEBIDA AL PESO PROPIO DE LA ESTRUCTURA

50

3.3.2 CARGA DEBIDA AL PESO DE LA CUBIERTA DE POLICARBONATO

51

3.3.3 CARGA DE VIENTO (WH)

52

3.3.4 VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO

52

3.5 CONEXIONES ATORNILLADAS

54

3.5.1 TIPOS DE TORNILLOS

54

3.5.2 RESISTENCIA DEL PERNO

55

3.5.3 SELECCIÓN DE PERNOS PARA SOPORTAR CARGA ESTÁTICA

56

3.5.4 SEPARACIÓN Y DISTANCIA A BORDES DE TORNILLOS

57

3.5.4.1 Separación mínima

57

3.5.4.2 Distancias mínimas al borde

58 ix

3.5.4.3 Pernos para soportar carga estática por esfuerzo cortante.

59

3.5.4.4 Factores de Seguridad y Carga

61

3.5.4.5 Esfuerzos permisibles

63

3.6 COJINETES DE CONTACTO RODANTE 3.6.1 CARGAS COMBINADAS, RADIAL Y DE EMPUJE 3.7 RESORTES DE EXTENSIÓN 3.7.1 DISEÑO DE RESORTES DE EXTENSIÓN 3.8 TEORÍA DE LA ENERGÍA DE LA MÁXIMA DISTORSION

65 67 69 71 74

3.8.1 JUNTAS SOLDADAS SUJETAS A CARGA AXIAL Y CARGA CORTANTE DIRECTA

75

3.8.2 JUNTAS SOLDADAS SUJETAS A CARGA ESTÁTICA TORSIONAL Y CARGA A LA FLEXIÓN

79

3.8.3 NUMERACIÓN DE ELECTRODOS

83

3.8.3.1 Prefijos

83

3.8.3.2 Resistencia a la Tracción

83

3.8.3.3 Posiciones para Soldar

84

3.8.3.4 Revestimientos

84

3.8.3.5 C.C C.A. y Polaridad

84

3.9 BASES DE COLUMNAS

85

3.9.1 GENERALIDADES. TIPOS DE BASES

85

3.9.2 PLACA DE BASE PARA COLUMNAS CARGADAS AXIALMENTE

89

3.9.3 DISEÑO DEL PERNO DE ANCLAJE

97

3.10 MECANISMOS DE CADENAS 3.10.1 DEFINICIÓN Y CONSTITUCIÓN 3.10.2 MATERIALES PARA CADENAS Y RUEDAS

99 99 100 x

3.10.3 FABRICACIÓN DE CADENAS Y RUEDAS

100

3.10.4 MONTAJE Y UTILIZACIÓN

102

3.11 INVERSION DE GIRO

103

CAPITULO IV.- PROGRAMACIÓN EN SAP 2000

4.1 INICIO DE UN NUEVO PROYECTO

107

4.2 ASIGNACION DE COORDENADAS PARA JUNTAS

108

4.3 ASIGNACIÓN DE MATERIAL

111

4.4 ASIGNACIÓN DE PROPIEDADES PARA PERFILES

112

4.5 MODELADO DE ESTRUCTURA EN SAP2000

114

4.6 ASIGNACIÓN DE APOYOS

118

4.7 ASIGNACIÓN DE CARGAS

120

4.8 RESULTADOS EN SAP2000

123

4.8.1 REACCIONES EN LOS APOYOS

125

4.8.2 DEFLEXIONES

126

4.8.3 DIAGRAMAS PARA MIEMBROS ESTRUCTURALES

127

CAPITULO V.- CALCULOS

5.1 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO

130

5.2 CALCULO DEL ESPESOR DEL VIDRIO EN CERRAMIENTO

131

5.3 SELECCIÓN DE PERNOS.

132 xi

5.3.1 SUJETAR UN SOPORTE SUPONIENDO CORTANTE TRANSMITIDO POR FRICCIÓN

132

5.4 SELECCIÓN DE COJINETES DE BOLAS

136

5.5 DISEÑO DEL RESORTE DE EXTENSIÓN

139

5.6 CALCULO DE SOLDADURA

148

5.6.1 SOPORTE CON CARGA EXCÉNTRICA Y CARGA CORTANTE DIRECTA

148

5.6.2 CÁLCULO DEL NÚMERO DE ELECTRODOS

153

5.7 DISEÑO DE LA PLACA BASE 5.7.1 DISEÑO DEL PERNO DE ANCLAJE 5.8 SELECCIÓN DE LA CADENA Y MOTOR ELECTRICO

156 158 161

5.8.1 MOVILIZACIÓN DE LA CUBIERTA

161

5.8.2 DIMENSIONAMIENTO MOTOR ELÉCTRICO

162

5.9 DISEÑO DEL MECANISMO DE LA CADENA DE RODILLO

164

5.9.1 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS

164

5.9.2 DISEÑO Y CALCULO

165

CAPITULO VI.- COSTOS DEL PROYECTO

6.1 INTRODUCCIÓN

172

6.2 COSTOS POR MATERIALES

173

6.3 COSTOS POR CONSTRUCCIÓN

175

6.4 COSTOS POR SUMINISTROS

177

6.5 COSTOS POR MONTAJE

178

6.6 COSTOS INDIRECTOS

179 xii

6.7 COSTO TOTAL

179

CONCLUSIONES

180

RECOMENDACIONES

183

BIBLIOGRAFIA

186

ANEXOS Anexo A

Planos

Anexo B

Validación SAP 2000

Anexo C

Circuito de Inversión de Giro

Anexo D

Tablas para Cálculos

Anexo E

Proformas

Anexo F

Manual Motor Puerta Basculante

Anexo G

Plegado de Planos

xiii

INDICE DE TABLAS Tabla 1.1: Características de Iluminación del Policarbonato

12

Tabla 1.2: Pesos propios por unidad de superficie y radio mínimo de curvatura

14

Tabla 1.3: Tabla Comparativa de Características

19

Tabla 1.4: Esfuerzo de Carga

22

Tabla 1.5: Propiedades Físicas del Vidrio

23

Tabla 1.6: Especificaciones y medidas del Vidrio

24

Tabla 1.7: Control de Radiación del Vidrio

25

Tabla 1.8: Valores para determinar el Espesor del Vidrio

25

Tabla 1.9: Valores de Cp para superficies Verticales

27

Tabla 1.10: Coeficiente S 4 27 Tabla 1.11: Coeficiente C e

28

Tabla 1.12: Espesores mínimos en función de la presión de cálculo de viento

29

Tabla 2.1: Cargas Vivas Uniformes Mínimas Comunes para el Diseño de Edificios

32

Tabla 2.2: Presión dinámica del viento

35

Tabla 2.3: Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada

36

Tabla 2.4: Coeficientes de Ponderación

37

Tabla 2.5: Cargas vivas mínimas para cubiertas en Kg/m2

39

Tabla 3.1: Factores de Ponderación

47 xiv

Tabla 3.2: Espesores de Policarbonato

51

Tabla 3.3: Especificaciones ASTM para pernos

56

Tabla 3.4: Dimensiones básicas de roscas métricas ISO para pernos

57

Tabla 3.5: Dimensiones para cojinetes de bolas de contacto angular, de un fila, serie 02

68

Tabla 3.6: Recomendaciones de vida de cojinetes para varias clases de maquinaria

68

Tabla 3.7: Ultimo Digito Numeración Electrodos

84

Tabla 3.8: Cadenas de Rodillos Sencilla

101

Tabla 4.1: Coordenadas en X, Y y Z

108

Tabla 4.2: Dimensiones Perfila HEA 10

112

Tabla 4.3: Dimensiones Perfil Al 1016

112

Tabla 4.4: Asignación de apoyos

118

Tabla 4.5: Asignación de Cargas

120

Tabla 4.6: Resultantes en los apoyos obtenidos del SAP 2000

125

Tabla 4.7: Resultantes de las Deflexiones obtenidas en SAP 2000

126

Tabla 5.1: Factores de Carga Radial equivalente para Cojinetes de Bolas

137

Tabla 5.2: Rendimientos Electrodos

154

Tabla 5.3: Coeficientes de Rozamiento

162

Tabla 5.4: Series de Ruedas Normalizadas

165

Tabla 5.5: Valores de orientación para el coeficiente de choque C s 168 Tabla 5.6: Valores de orientación para los coeficientes C 1 a C 3 169

xv

Tabla 5.7: Resultados seleccionados en base a cálculos

171

Tabla 5.8: Resultados seleccionados en base a Catálogo

171

Tabla 6.1: Costos por Materiales

174

Tabla 6.2: Precios Maquinas Mecánica “Don Bosco”

175

Tabla 6.3: Costos por Construcción

176

Tabla 6.4: Costos por Suministros

178

Tabla 6.5: Costos por Montaje

178

Tabla 6.6: Costos Indirectos

179

Tabla 6.7: Costos Total del Proyecto

179

xvi

INDICE DE FIGURAS

Fig. 1.1.- Transmisión de la luz solar a través del policarbonato

11

Fig. 1.2.- Dimensiones del apoyo de la placa

15

Fig. 1.3.- Aplicaciones del Acrílico

18

Fig. 1.4.- Esquema producción Vidrio Peldar

20

Fig. 1.5.- Bóveda de Vidrio

22

Fig. 1.6.- Utilización de Vidrio como elemento decorativo

22

Fig. 1.7.- Medidas para la Instalación de un Vidrio

24

Fig. 2.1.- Ecuador, zonas sísmicas para propósitos de diseño

36

Fig. 3.1.- Cerramiento Telescópico

42

Fig. 3.2.- Cerramiento Telescópico Adosado

43

Fig. 3.3.- Instalación privada en Pontevedra

43

Fig. 3.4.- Cerramiento Telescópico Sobre pilares

44

Fig. 3.5.- Cubierta Telescópica en Plano Inclinado

44

Fig. 3.6.- Cubierta Tipo “Cobertor”

45

Fig. 3.7.- Medidas de referencia para el Diseño de la Cubierta Telescópica

48

Fig. 3.8.- Distribución de Cargas en la Cubierta

49

Fig. 3.9.- Sección Perfiles Aluminio

50 xvii

Fig. 3.10.- Separación Mínima y Distancia Mínima al Borde

58

Fig. 3.10.- Conexión con Perno a Cortante Simple

60

Fig. 3.12.- Tipos de extremos usados en resortes de extensión

69

Fig. 3.13.- Extremos para resortes de extensión

70

Fig. 3.14.- Geometría de la fuerza F y del lugar geométrico de la extensión y de un resorte de extensión

73

Fig. 3.15.- Ángulos de Soldadura

76

Fig. 3.16.- Cordones de Soldaduras

78

Fig. 3.17.- Carga excéntrica en el plano

79

Fig. 3.18.- Carga excéntrica fuera del plano

80

Fig. 3.19.- Momento de inercia de segmentos lineales de soldadura

82

Fig. 3.20.- Bases Empotradas y Articuladas

86

Fig. 3.21.- Tipos de Base de Columnas

87

Fig. 3.22.- Tipos de Pernos de Anclaje

88

Fig. 3.23.- Placas de Base de Columnas

90

Fig. 3.24.- Dimensiones usadas en el Diseño de Placa de Base

93

Fig. 3.25.- Distribución de la carga de una columna pequeña al concreto de soporte

96

Fig. 3.26.- Separación entre Pernos de Anclaje

97

Fig. 3.27.- Análisis de Cargas para Pernos de Anclaje

97

Fig. 3.28.- Partes de un Eslabón

99

Fig. 3.29.- Conexiones Inversión de Giro

103

Fig. 3.30.- Conexiones Inversión de Giro

104

Fig. 3.31.- Conexiones Inversión de Giro con temporizador

105

xviii

Fig. 4.1.- Selección para realizar un nuevo modelo en SAP2000

107

Fig. 4.2.- Coordenadas de la Cuadricula (Grid)

109

Fig. 4.3.- Ventana de dialogo para modificar la cuadricula

109

Fig. 4.4.- Cuadro de coordenadas para en Sap2000

110

Fig. 4.5.- Cuadricula editada

110

Fig. 4.6.- Asignación de material

111

Fig. 4.7.- Asignación de Sección “H”

113

Fig. 4.8.- Medidas usadas en la sección “H”

113

Fig. 4.9.- Medidas usadas en el perfil Al 1016

114

Fig. 4.10.- Modelado de la estructura en SAP2000

115

Fig. 4.11.- Parámetros para perfiles curvos en SAP2000

116

Fig. 4.12.- Estructura modelada en SAP2000

116

Fig. 4.13.- Cuadro de dialogo para Offset en SAP2000

117

Fig. 4.14.- Dibujo de travesaños de aluminio

117

Fig. 4.15.- Asignación de apoyos

118

Fig. 4.16.- Juntas Restringidas

119

Fig. 4.17.- Opciones de Análisis en SAP2000

119

Fig. 4.18.- Tipos de Cargas

121

Fig. 4.19.- Sentido de las cargas en juntas

121

Fig. 4.20.- Distribución de las cargas en las juntas

122

Fig. 4.21.- Sentido de las cargas en miembros estructurales

123

Fig. 4.22.- Ejecución del programa

124

Fig. 4.23.- Deformación de la cubierta en SAP2000

124

Fig. 4.24.- Diagrama de esfuerzos

125 xix

Fig. 4.25.- Resultados para los apoyos en SAP2000

126

Fig. 4.26.- Diagrama de Fuerzas Cortantes

127

Fig. 4.27.- Diagrama de momentos

128

Fig. 4.28.- Diagramas para miembro estructural especifico

129

Fig. 5.1.- Suposición de Carga P para cálculo de selección de pernos en uniones

132

Fig. 5.2.- Junta Rueda Soporte

133

Fig. 5.3.- Esquema Distribución de Cargas sobre Pernos

134

Fig. 5.4.- Suposición de Cargas para Rodamientos

136

Fig. 5.5.- Distribución de Cargas en la Puerta del Cerramiento

140

Fig. 5.6.- Suposición Distribución de Cargas

148

Fig. 5.7.- Suma vectorial del esfuerzo torsional en los puntos A y B

150

Fig. 5.8.- Suma vectorial del esfuerzo cortante directo en los puntos A y B

151

Fig. 5.9.- Unión de Juntas Viga HBA y Placa de Apoyo

152

Fig. 5.10.- Detalle Biselado para Soldadura

153

Fig. 5.11.- Forma Cordón soldaduras

153

Fig. 5.12.- Medidas de la Placa Base

157

Fig. 5.13.- Separación entre Pernos de Anclaje

158

Fig. 5.14.- Análisis de Cargas para Pernos de Anclaje

158

Fig. 5.15.- Perno de Anclaje

159

Fig. 5.16.- Fuerzas para vencer el Rozamiento

161

Fig. 5.17.- Rueda Normalizado

165

Fig. 5.18.- Suposición de Velocidad de Desplazamiento

166 xx

Fig. 5.19.- Potencia Po para cadenas de rodillos sencillas (DIN 8187)

170

xxi

PLAN DE TESIS APROBADO

TEMA: Diseño de Cubiertas Telescópicas Integrales para Piscinas Particulares

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El problema que se desea solucionar con la construcción de una cubierta telescópica, es la oscuridad del ambiente interior de una cubierta normal para piscinas. Las estructuras que se han utilizado en nuestro país para cubrir estos espacios, incluyen en su diseño y construcción materiales como: concreto, acero, aglomerado, zinc; los cuales por sus propiedades físicas no permiten el aprovechamiento de energía solar en horas en las que el clima lo permite; haciendo necesario el uso de energía eléctrica para calefacción e iluminación interior. Muchos usuarios de piscinas prefieren un ambiente que permita sentir el aire libre pero en cambio a otros esta idea no les satisface y se sienten más cómodos en un ambiente cerrado que brinde protección. Con la construcción de una cubierta telescópica se logrará tener, de acuerdo a la preferencia los beneficios de cada ambiente por su funcional diseño.

ALCANCE Este estudio tiene como fin, determinar el diseño mediante un análisis técnico y las dimensiones adecuadas de la estructura para una cubierta telescópica integral, así como los materiales que se deben usar para la construcción. Se realizará un estudio básico y breve de la parte eléctrica, de la misma forma que el estudio para la automatización del accionamiento de la cubierta.

xxii

JUSTIFICACIÓN Se ve necesario el diseño de Cubiertas Telescópicas por ofrecer las siguientes ventajas: 1. No es necesario ningún permiso de obras para este tipo de construcción, lo que le supone un ahorro y evitar papeleos tediosos. 2. Aumenta la temporada de baño de forma excepcional y sin necesidad de climatización. 3. Preserva la limpieza interior tanto del agua de la piscina como del mobiliario, objetos, plantas, evitando así que las hojas de árboles, insectos, etc. ensucien su entorno y consiguiendo un ahorro en productos de limpieza para piscina. 4. Aumenta la seguridad, con la cubierta cerrada puede impedir que niños o mascotas sufran algún accidente involuntario. Los sistemas de cierre en las puertas evita que nadie entre si es cerrado con llave. 5. Permite la entrada de luz solar, permitiendo ahorro de energía eléctrica y con el uso de policarbonato en la cubierta se evita la entrada de rayos UV protegiendo de esta forma el deterioro de la pintura automotriz y enfermedades en la piel humana.

xxiii

OBJETIVOS: GENERAL •

Diseñar una cubierta telescópica integral para piscinas, automatizada y que su accionamiento sea en función de la temperatura ambiental.

ESPECIFICOS •

Realizar una guía, en la cual se facilite información suficiente respecto a las características, calidades y formatos principales a tener en cuenta a la hora de fabricar una cubierta para un particular.

•

Realizar la selección de los mejores materiales, en consecuencia, se necesitará investigar diferentes características mecánicas de los perfiles y los materiales de cerramiento: vidrios, metacrilato, aluminio y policarbonato.

•

Diseñar según las normas de construcción una Cubierta prefabricada que sirva lo mismo para ubicarla a nivel del mar que para ubicarla en la sierra, puesto que las cargas a soportar por la misma son muy diferentes.

•

Determinar las variables del proceso que permita la apertura y cierre automático de la cubierta telescópica, estas variables podrían ser: temperatura, presión, humedad relativa.

xxiv

VARIABLES E INDICADORES •

1.- Costo, existencia en el mercado, propiedades mecánicas y estética de cubiertas para piscinas.

•

2.- Costo final de la cubierta para ser introducido y comercializado.

•

3.- Los materiales que se utilicen en la cubierta deben tener resistencia al impacto y alta durabilidad.

HIPOTESIS La Estructura para la Cubierta Telescópica debe ser confiable, segura, funcional, que se pueda desarrollar y comercializar en diferentes formatos, que sea capaz de resistir diferentes tipos de cargas permitiendo un diseño estético y agradable a la vista.

METODOLOGIA Después de analizar los métodos de investigación existentes se ha llegado a la conclusión que el adecuado es el método deductivo; que es un proceso analítico sintético que presenta conceptos, definiciones, leyes o normas generales, de las cuales se extraen conclusiones o se examina casos particulares sobre la base de afirmaciones generales ya presentadas. En otras palabras es aquel que de lo general va a lo particular. En el método deductivo el científico utiliza la lógica y una información general para formular una solución posible a un problema dado. Luego comprueba esa solución en varias situaciones típicas.

xxv

RESUMEN La presente tesis trata del Diseño de una Cubierta Telescópica para Piscina Particular, cuyo desarrollo se lo realiza en seis capítulos.

El capítulo 1, Estudio de Materiales, involucra un estudio introductorio a los materiales, en este capitulo se realiza un recuento de las propiedades físicas y mecánicas que intervienen en el diseño de la cubierta telescópica.

El capítulo 2, Análisis de Cargas, se estudia en forma breve los distintos tipos de carga que la estructura soportará. Además se aborda conceptos y normas generales para el diseño de cubiertas.

El capítulo 3, Diseño y Análisis Estructural, siendo este el capitulo más extenso donde se realiza un estudio de alternativas que están basados en sistemas novedosos de construcciones de cubiertas, estructuras metálicas, donde se requiere el acero y el aluminio como principal elemento de fabricación, siendo materiales que se adquiere fácilmente en el mercado nacional. Se involucra además un estudio de normas para la construcción de piscinas, y fundamentos teóricos para dimensionamiento de elementos mecánicos como tornillos, rodamientos, resortes, cadenas de transmisión, columnas, etc.

El capítulo 4, Programación en SAP2000, se da una breve introducción a la programación y se redacta una guía con los pasos que se siguieron para elaborar el programa que facilito el análisis estructural de la cubierta.

xxvi

El capitulo 5, Cálculos, involucran una gran cantidad de datos y operaciones analizando las dimensiones de los elementos para la estructura, los datos iníciales como fuerzas fueron obtenidos de un software de Ingeniería Estructural como es el SAP2000. Para el cálculo realizado se procuró reducir los costos de materiales sin disminuir la resistencia de los mismos, uno de los conceptos que se tuvo presente fue cuidar la estética.

El capítulo 6, Costos del Proyecto, analiza el valor de la cubierta construida en estructura metálica y aluminio, se proporciona valores reales gracias a las proformas proporcionadas por empresas de la ciudad de Quito, proveedoras especializadas de los materiales utilizados en esta tesis.

xxvii

CAPITULO I.- ESTUDIO DE MATERIALES

1.1 EL ALUMINIO

1.1.1 DESCRIPCIÓN El aluminio1 es un metal que reúne una serie de propiedades mecánicas excelentes dentro del grupo de los metales no férreos, de ahí su elevado uso en la industria. Dentro del ciclo vital del aluminio, éste se encuentra actualmente en la etapa de madurez, es decir su producción está estabilizada desde hace un par de décadas, aunque en la industria de la automoción su uso es cada vez mayor. Esta aparente contradicción se debe a que está siendo sustituido por nuevos materiales, como los polímeros o los materiales compuestos, en aplicaciones en las que hasta ahora se había utilizado el aluminio. La ligereza, la densidad del aluminio (2,70 g/cm) es realmente baja comparada con la del hierro (7,90 g/cm). La buena resistencia mecánica de algunas de sus aleaciones, incluso a altas temperaturas, hace que esté llegando a sustituir a aleaciones de titanio en el mundo aeronáutico, donde la ligereza unido a la resistencia mecánica son factores importantísimos. Muy buena resistencia a la corrosión gracias a la película de alúmina, que se forma en su superficie de forma espontánea y lo protege de la corrosión.

1

www.salonhogar.com/ciencias/fisica/aluminio/intro.htm (Aluminio)

1

1.1.2 INFORMACIÓN ADICIONAL Una propiedad cada vez más en alza como es la reciclabilidad donde el aluminio destaca especialmente, ya que si bien el aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre, el proceso de obtención del aluminio requiere una alta cantidad de energía en comparación con otros metales como puede ser el acero, pero esta cantidad de energía se reduce enormemente en el proceso de producción secundaria (reciclaje) para el caso del aluminio, provocando que la industria lo tenga muy en cuenta a la hora de ahorrar dinero en forma de energía. Como propiedades físicas del aluminio caben resaltar, su alta conductividad térmica y eléctrica, esta última le hace adecuado para muchas aplicaciones dentro de la industria eléctrica, su baja temperatura de fusión unido a su elevada temperatura de ebullición hacen al aluminio muy idóneo para la fundición. El aluminio cristaliza en la red FCC (ó CCC) y no sufre cambios alotrópicos, lo que le confiere una alta plasticidad, aunque las propiedades mecánicas varían enormemente según sean los elementos aleantes y los tratamientos termomecánicos a los que se haya sometido el aluminio.

1.1.3 APLICACIONES GENERALES Su aplicación en la construcción representa el mercado más grande de la industria del aluminio. Millares de casas emplean el aluminio en puertas, cerraduras, ventanas, pantallas, boquillas y canales de desagüe. El aluminio es también uno de los productos más importantes en la construcción industrial. El transporte constituye el segundo gran mercado. Muchos aviones comerciales y militares están hechos casi en su totalidad de aluminio. En los automóviles, el aluminio aparece en interiores y exteriores como molduras, parrillas, llantas (rines), 2

acondicionadores de aire, transmisiones automáticas y algunos radiadores, bloques de motor y paneles de carrocería. Se encuentra también en carrocerías, transporte rápido sobre rieles, ruedas formadas para camiones, vagones, contenedores de carga y señales de carretera, división de carriles y alumbrado. En la industria aeroespacial, el aluminio también se encuentra en motores de aeroplanos, estructuras, cubiertas y trenes de aterrizaje e interiores; a menudo cerca del 80% del peso del avión es de aluminio. La industria de empaques para alimentos es un mercado en crecimiento rápido. En las aplicaciones eléctricas, los alambres y cables de aluminio son los productos principales. Se encuentra en el hogar en forma de utensilios de cocina, papel de aluminio, herramientas, aparatos portátiles, acondicionadores de aire, congeladores, refrigeradores, y en equipo deportivo como esquíes y raquetas de tenis. El aluminio en polvo se usa en pinturas, combustible para cohetes y explosivos y como reductor químico.

1.1.4 PROPIEDADES MECÁNICAS Las propiedades mecánicas 2 o propiedades de resistencia mecánica sirven en la mayoría de los casos como base para dictaminar sobre un material metálico, con vistas a un fin de aplicación concreto. A continuación se da un resumen de las propiedades mecánicas más importantes del aluminio no sólo sometido a esfuerzo continuo sino también, oscilante y por golpe.

2

http://www.salonhogar.com/ciencias/fisica/aluminio/prop_mecanicas.htm (Propiedades Mecánicas)

3

1.1.4.1 Dureza La mayoría de las veces se da en los materiales de aluminio la dureza Brinell, a causa de la sencillez de su determinación. Los valores de la dureza Brinell se extienden desde HB=15 para aluminio purísimo blando hasta casi HB=110 para AlZnMgCu 1,5 endurecido térmicamente, es decir, aleación 7075. Los valores de la dureza determinados por otros métodos, como el Vickers o el de Knoop, apenas tienen significado práctico en este metal.

1.1.4.2 Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsión En los materiales alumínicos se puede admitir que el valor del límite de aplastamiento 0,2% (parámetro de la resistencia a la compresión) es igual al valor del límite elástico 0,2% de tracción. La resistencia a la compresión o el límite de aplastamiento 0,2% tienen importancia principalmente en las piezas sometidas a compresión tales como cojinetes de fricción. La resistencia a la flexión en las aleaciones de aluminio se tiene en cuenta para las de fundición, en aquellos casos en que, al realizar el ensayo de tracción no es posible determinar el límite elástico con suficiente exactitud a causa de su pequeño valor. La resistencia al cizallamiento es importante para el cálculo de la fuerza necesaria para el corte y para determinadas construcciones. No existen valores normalizados. Generalmente está entre el 55 y 80 % de la resistencia a la tracción. Casi nunca se determina la resistencia a la torsión, si se considera una distribución lineal de tensiones, puede considerársela igual a la resistencia al cizallamiento.

4

1.1.4.3 Resistencia a la fatiga La fatiga depende de una serie de factores. Además de la composición, estado y procedimiento de obtención del material, hay que considerar la clase y frecuencia de las solicitaciones y, especialmente, la configuración de los elementos constructivos (distribución de fuerzas, tensiones máximas, superficie). La denominación "resistencia a la fatiga" se utiliza como concepto genérico para todos los casos de solicitud alternativas. Para el aluminio el límite de ciclos de carga está fijado en 10. Los ensayos se hacen casi siempre con 5 o 10 ciclos. Los resultados de los ensayos de fatiga alternativa presentan siempre una dispersión que no se disminuye aunque se utilicen métodos más precisos de medición. Se deben, principalmente, a contingencias casuales que intervienen al originarse la primera fisura y prosiguen en las fases iníciales de su expansión.

1.1.4.4 Influencia del material La resistencia a la fatiga se aumenta mediante la formación de soluciones cristalinas, la conformación en frío y el endurecimiento. En las aleaciones de aluminio para laminación y forja existe una clara diferencia entre las no endurecibles y las endurecibles. Al juzgar los valores de la resistencia a la fatiga se ha de tener en cuenta el tipo de solicitación (tracción, compresión, flexión alternativa o rotativa) y, ante todo, la posición de la tensión media o la relación de tensiones respectivamente. Además, se ha de observar atentamente si se da la amplitud de resistencia a la fatiga o a la máxima tensión superior.

5

Además de los anteriores factores, también influyen en la resistencia a la fatiga, los máximos de tensión o efectos de entalladura, el estado superficial y del ambiente, la soldadura y la temperatura.

1.1.4.5 Tenacidad El comportamiento en cuanto a la resistencia a la rotura de un material es importante. En los elementos de construcción se presupone que existen siempre fisuras de un determinado tamaño y que se dimensionan los elementos de tal modo que estas fisuras no sobrepasan una magnitud crítica, dentro de un período de vida previsto y sobre todo, que no aumenten de modo inestable. La carga puede ser monótona estática u oscilante. También se puede tener en cuenta la carga de fluencia (método más apropiado para los materiales de aluminio) o las grietas de corrosión bajo tensión.

1.1.4.6 Resistencia al desgaste La resistencia a la abrasión o al desgaste de los materiales de aluminio es particularmente baja en el rozamiento en seco. No existe relación entre dureza y resistencia mecánica por un lado y resistencia a la abrasión por el otro. Los materiales de aluminio sometidos a rozamiento, en determinadas circunstancias de funcionamiento, muestran un comportamiento aceptable como prueban las numerosas aplicaciones que tienen en cojinetes de fricción y émbolos. Debe mencionarse también que el desgaste se puede reducir drásticamente por un tratamiento superficial apropiado.

6

1.1.5 VENTAJAS DEL ALUMINIO En el mercado existen multitud de materiales de construcción, de modo que si se va a construir o rehabilitar una estructura se tendrá que elegir entre las distintas posibilidades que se ofrecen. Con el aluminio se sabe exactamente lo que está eligiendo: un material excepcional y de enorme resistencia, perfecto para todo tipo de estructuras. A continuación se presentan las ventajas que el aluminio 3 ofrece: 1. El aluminio posee una vida útil muy larga. Soporta la radiación ultravioleta y la humedad, no se oxida, no se estropea ni se deforma. 2. El aluminio presenta un mantenimiento sencillo. Gracias a su acabado liso y pulido, el aluminio no atrae el polvo ni la suciedad. 3. El aluminio es seguro y no inflamable. Por su solidez, es resistente a la rotura. 4. El aluminio es un material respetuoso con el medio ambiente y ecológico. 5. El aluminio es un material ligero, fácil de incorporar en cualquier construcción. 6. El aluminio posee una excelente relación calidad/precio. 7. El aluminio garantiza una total estanqueidad al aire, al agua y al viento. 8. El aluminio ofrece un factor de aislamiento térmico excepcional. Una ventaja es que el aluminio garantiza un aislamiento óptimo frente al frío y el calor, y cumple todos los requisitos legales sobre eficiencia energética. 9. El aluminio ofrece un aislamiento acústico óptimo.

3

http://www.merlinsunscreening.co.uk

7

Un perfil de aluminio puede incorporar sin dificultad cristales de gran espesor, elemento esencial para lograr una buena protección contra el ruido. 10. El aluminio está disponible en una gran variedad de colores. 11. El aluminio puede adaptarse a una gran variedad de estilos.

1.2 EL POLICARBONATO

1.2.1 DESCRIPCIÓN El policarbonato 4 es el material ideal para encristalado y techado termoaislante, recto y arqueado. El policarbonato está dotado de una capa protectora contra los rayos UV la cual procura una larga vida útil y se destaca por una gran resistencia a los golpes. El policarbonato compacto en placas se utiliza en construcciones en los casos en que se desee obtener transparencia de superficies, tanto horizontales como verticales o curvas. Dado que no tiene tanta rigidez como el vidrio, su modo más eficiente de utilización es en superficies curvas, donde la forma es fácilmente obtenible dada su elasticidad. No obstante es también habitual utilizarlo en superficies planas, en cuyo caso debe verificarse la flecha (comba por flexión) como se explica más adelante, por el aspecto estético.

1.2.2 INFORMACIÓN ADICIONAL El policarbonato se emplea para encristalar y techar objetos industriales, jardines de invierno, piscinas y áreas deportivas. El mismo está amparado por 10 años de

4

http://zenit.czechtrade.es/policarbonato

8

garantía. Sus ventajas consisten en alta resistencia a los golpes, estabilidad con respecto a los rayos UV, flexión en frío, buena transparencia y un campo amplio de temperaturas. Reemplaza al tradicional vidrio o cristal, de acuerdo a cómo se ponderen o adapten sus ventajas y desventajas a los requerimientos de uso. El policarbonato compacto se obtiene en color gris (llamado también nube), en color castaño (llamado oro o bronce) y transparente. Puede adquirirse cortado a medida, pero a los efectos del precio debe considerarse por plancha entera dado que en general los proveedores no aceptan hacerse cargo de los recortes; con excepción del transparente, que en razón de su mayor demanda pueden encontrarse proveedores que presupuesten por unidad de superficie pedida. Por aquella causa es conveniente tener la precaución de considerar en los diseños los tamaños de las placas originales a fin de disminuir los desperdicios y por ende el precio final. Las dimensiones de las placas son generalmente de 2 x 3 metros, aunque existen con menor frecuencia otras dimensiones de placas según cual sea el fabricante o país de origen. Sólo una de las caras es apta para ser expuesta a los rayos ultravioletas del sol. Esta condición debe tenerse en cuenta cuando se efectúe el corte de figuras no regulares (debe aclararse en los croquis de corte si la vista es desde el interior o desde el exterior), y en todos los casos en la colocación. Para su fijación deben tenerse en cuenta los huelgos libres para dilatación establecidos por los fabricantes, como se indica más adelante. La fijación puede efectuarse por medio de burletes encastrados en perfiles especiales (caso del

9

aluminio) y/o con selladores aptos. No todos los selladores son adecuados; debe verificarse su aptitud para policarbonato en las instrucciones de uso del sellador.

1.2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS RESPECTO AL VIDRIO 1.2.3.1 Ventajas 5: a) Resistencia al impacto (golpes o granizo) 200 veces mayor que el vidrio. b) Menor peso propio para el mismo espesor (menor peso específico). c) Facilidad de curvar en frío (dentro de los límites que se indican más adelante). d) Es más aislante del calor que el vidrio.

1.2.3.2 Desventajas: a) Más flexible que el vidrio (colocado en forma plana horizontal requiere mayor espesor que el vidrio). b) Se raya con más facilidad que el vidrio. c) Es más costoso que el vidrio.

Observaciones: Las desventajas de su flexibilidad respecto de la mayor rigidez del vidrio, disminuye con la posibilidad de las formas curvas. En cuanto al costo comparativo por unidad de superficie, debe considerarse el mayor espesor requerido en la posición horizontal y las limitaciones de tamaño de la placa.

5

http://www.plastmavent.com/policarbonato.html

10

En las superficies verticales el espesor dependerá de lo que determine el proyectista respecto de la flecha admisible con la acción del viento en los casos en que se deba considerar este factor (uso externo). En las superficies curvas generalmente el espesor será menor que el del vidrio para la misma separación entre apoyos.

1.2.4 EL POLICARBONATO ANTE LA TRANSMISIÓN DE LUZ

Fig. 1.1.- Transmisión de la luz solar a través del policarbonato.

A pesar de su gran capacidad de transmisión de luz 6, las sobrecubiertas de policarbonato para iluminación, controlan la radiación ultravioleta, e infrarrojos (fig. 1.1), evitando la decoloración de materiales sensibles como tejidos o materiales orgánicos creando un ambiente de iluminación regulada. En la tabla 1.1 se dan valores que indican el comportamiento del policarbonato con respecto a la luz.

6

http://www.alcristal.com/spanishversion/productos/poli_macrolux.php

11

Dentro de sus superiores prestaciones, el Policarbonato posee gran resistencia a los agentes atmosféricos, excelente comportamiento al fuego, gran resistencia a los impactos y un excelente módulo de flexión y resistencia térmica.

POLICARBONATO DE 6 MM

CLARO BRONCE GRIS

% de transmisión de luz

82

35

20

% de transmisión solar

86

55

50

Coeficiente de sombra

0.99

0.63

0.58

Tabla 1.1: Características de Iluminación del Policarbonato Fuente: www.alcristal.com

1.2.5 PROPIEDADES FÍSICAS •

Densidad de 1.20 g/cm3

•

Rango de uso desde -100 °C a +135 °C

•

Punto de fusión cercano a 250 °C

•

Índice de refracción igual a 1.585 ± 0.001

•

Índice de transmisión lumínica del 90% ± 1%

•

Característica de incombustibilidad

1.2.6 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS •

Peso específico: 1,2 daN/dm3

•

Peso propio: 1,2 daN/m2 de 1 mm de espesor

•

Módulo de elasticidad: 23000 daN/cm2

•

Coeficiente de dilatación lineal por temperatura: 65 x 10-6 K-1

•

1 Kgf = 1 daN (decaNewton)

12

1.2.6.1 Resistencia al impacto En las múltiples utilizaciones a las que se destinan, las láminas de policarbonato ofrecen una notable resistencia al impacto. Este tipo de placas tienen la característica de permanecer inalterables en el tiempo. En efecto, la protección UV aplicada preserva el producto del envejecimiento durante el tiempo indicado en la garantía.

1.2.6.2 Curvatura El policarbonato, ofrece una gran libertad al proyectista para soluciones curvadas 7, ya que tienen la posibilidad de poder ser curvadas en frío, aumentando así los valores de carga estática a los que la lámina puede ser sometida. Para evitar sobre tensiones inducidas por la deformación, se tendrán que adoptar radios mínimos de curvaturas superiores a 150 veces el espesor de la lámina utilizada; la única excepción está representada por la estructura de tres paredes de “cañón” donde la curvatura mínima es de 180 veces el espesor de la lámina. En la tabla 1.2 se indican los radios mínimos admitidos por el policarbonato compacto. Radios menores que los indicados producirán fisuras en la superficie externa. En los casos de estimarse que se produzcan empujes (viento), la deformación consecuente producirá menores radios de curvatura en algunas zonas, por lo que en estos casos se deberá prever mayor espesor de placa en la medida de lo necesario.

7

http://www.alcristal.com/spanishversion/productos/pdf/macrolux.pdf

13

Espesor

Peso Policarbonato 2

Radio

Peso

Mínimo de

Vidrio

mm

daN/m

2,0

2,4

5,00

400

3.0

3.6

7.5

600

4.0

4.8

10.00

800

5.0

6.0

12.50

1000

6.0

7.2

15.00

1200

8.0

9.6

20.00

1600

9.5

11.4

23.80

1900

10

12.0

25.00

200

12

14.4

30.00

2400

Curvatura

Tabla 1.2: Pesos propios por unidad de superficie y radio mínimo de curvatura. Fuente: http://www.construir.com/Econsult/C/Consulta/Renison/document/policomp.htm#*

1.2.6.3 Coeficiente de Dilatación Térmica El coeficiente de dilatación térmica del policarbonato es de 0.065

𝑚𝑚

𝑚º𝐶

, este valor es

más elevado respecto al resto de los materiales y comúnmente utilizados en la construcción para puertas, ventanas y coberturas, (aluminio, acero, etc.) de ahí que sea necesario tenerlo en cuenta en la instalación disponiendo soluciones técnicas que compensen la diferente dilatación térmica de materiales. En la Figura 1.2 se indica la superficie de apoyo requerida y el espacio para dilatación, aconsejados en general por los fabricantes.

14

Fig. 1.2.- Dimensiones del apoyo de la placa.

Donde:

G = apoyo de la placa R = profundidad total R-G = espacio para dilatación (idem en todo el contorno de la placa) d = espacio para dilatación

15

1.3 EL ACRÍLICO 1.3.1 DESCRIPCIÓN El Acrílico 8 se obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo y la presentación más frecuente que se encuentra en la industria del plástico es en gránulos (“pellets” en inglés) o en láminas. Los gránulos son para el proceso de inyección o extrusión y las láminas para termoformado o para mecanizado. Compite en cuanto a aplicaciones con otros plásticos como el policarbonato (PC) o el Poliestireno (PS), pero indudablemente el Acrílico en cuanto a resistencia a la intemperie, transparencia y resistencia al rayado, es el mejor de los plásticos transparentes.

1.3.2 INFORMACIÓN ADICIONAL El acrílico 9, es una de las tantas variantes del plástico. La gracia del acrílico, es que puede permanecer largo tiempo, en la intemperie, sin sufrir daño alguno. Por lo mismo, el acrílico es un material, largamente utilizado en las construcciones. Debido principalmente, a lo antes señalado, como al hecho de que es un tipo de plástico, más flexible de lo normal. Lo que lo hace aún más fácil de trabajar. Pero en la construcción, no es el único campo donde se utiliza el acrílico. También es utilizado el acrílico en ciertos medios de transporte, como lo son las motos y las lanchas a motor. Ya que éste material, se utiliza para la fabricación de los parabrisas que utilizan estos medios de transporte. Asimismo, el acrílico es ocupado en la protección de equipos eléctricos, para letreros luminosos, señaléticas, incluso en la fabricación de muchas de las bandejas que hoy en día, se utilizan en las casas.

8 9

http://es.wikipedia.org/wiki/Polimetilmetacrilato http://www.misrespuestas.com/que-es-el-acrilico.html

16

1.3.3 CARACTERÍSTICAS Dentro de sus características técnicas, podemos señalar, que el acrílico soporta largas horas a la exposición de los rayos ultravioletas, sin dañar su estructura y los colores del mismo. Con lo cual, uno no se tiene que preocupar, en que posición estará el acrílico a utilizar. Por lo mismo, es tan utilizado en las señaléticas. Por otra parte, el acrílico es muchísimo más resistente que el vidrio. Con lo cual, no es fácil que se rompa y, de hacerlo, no se astilla. Con lo cual, no se corre riesgos de lesiones, debido a cortes producidos por su quebradura. Por otra parte, para los más ecologistas, el acrílico es sumamente útil, ya que puede ser reciclado, en un 100%. Con respecto al índice de luz, que permite que lo traspase, el acrílico, es muy superior al vidrio. Asimismo, el peso del acrílico es bastante más reducido que el del vidrio. Este, pesa sólo la mitad del segundo. Otra de las gracias del acrílico, es que en el, se pueden combinar diversos colores. Soporta muy bien la adhesión de colores y como es resistente a los efectos de la intemperie, estos no se borran fácilmente. Por otra parte, el acrílico es bastamente utilizado, en el embazado de alimentos, por su alta capacidad de conservación. Estas cualidades más las mencionadas anteriormente convierten al acrílico en un material bastante popular en el mundo de hoy.

1.3.4 APLICACIONES Y USOS EN DIVERSOS SECTORES Por las características que presenta el Acrílico es utilizado intensivamente en la industria del automóvil, iluminación, cosméticos, espectáculos, construcción y óptica, entre muchas otras (Fig.1.3).

17

Dentro de sus distintas aplicaciones podemos mencionar algunos ejemplos de su uso en los siguientes sectores: Publicitario.- Letreros Luminosos, Exhibidores de Productos, Señaléticas, Cúpulas, Esferas, Bandejas, llaveros, y otros productos. Industrial y Científico.- Protectores de Maquinaria Industrial, Tapas para paneles de control de equipo, Laminas de acrílico para la protección de instalaciones, Acrílicos Termoformados y estriados de formas determinadas. Construcción.- Cúpulas termoformadas, Utilización de Laminas de Acrílico IMPACTA para prisiones de alta seguridad, Estadios, Museos, Exposiciones de Arte, etc. Transporte.- En la fabricación de Parabrisas para Motos y para Lanchas a Motor, Implementación Acrílica para la Aviación Comercial.

Fig. 1.3.- Aplicaciones del Acrílico

1.3.5

COMPARACIÓN

CARACTERÍSTICAS

ACRÍLICO,

POLICARBONATO Y VIDRIO En la Tabla 1.3 se muestra las características importantes propias de cada uno de los materiales que se utilizan en la construcción de cubiertas estructurales dentro del mercado:

18

Tabla Comparativa de Características Acrílico

Policarbonato

Vidrio

Excelente resistencia al Excelente resistencia al Excelente resistencia a la impacto

impacto

intemperie,

Optima transparencia

Fácil de curvar en frío

combustión y al rayado

Excelente resistencia a la Discreta resistencia a la Fácil

a

de

limpiar

intemperie

intemperie

Fácil procesado

Pobre color y brillo de Excelente rigidez

Fácil termoformado

borde

y

mantener

Fácil

Excelente color y brillo de Difícil de termoformar

Rotura

peligrosidad

y por

Se raya fácilmente y no se astillamiento

borde Se

la

pueden

eliminar puede reparar

eventuales rayas

Difícil

Fácil limpieza

mantener

de

Muy difícil y limitado limpiar

y moldeo,

curvado

o

maquinado Muy

pesado

para

manipuleo e instalación Muy difícil reparación de rayaduras Tabla 1.3: Tabla Comparativa de Características Fuente: Los Autores

19

1.4 EL VIDRIO 1.4.1 PROCESO DE PRODUCCIÓN

Fig. 7.- Esquema de la Elaboración del Vidrio

Fig. 1.4.- Esquema producción Vidrio Peldar.

PELDAR inició la producción de vidrio 10 plano estirado en 1961, utilizando el proceso Fourcault (Fig. 1.4). En este proceso el vidrio es estirado verticalmente y en forma continua, desde el Debiteusse (bloque refractario que flota sobre el vidrio fundido), hasta las máquinas donde es cortado en diferentes medidas. La temperatura del vidrio y la velocidad de las máquinas definen el espesor de la lámina. Durante el recorrido del Debiteusse hasta la máquina cortadora, el vidrio es sometido a un proceso de recocido que le permite ser cortado fácilmente en las medidas 10

PELDAR Vidrio Plano para la Construcción y de la Decoración

20

deseadas. Aunque los vidrios producidos por este proceso son de gran calidad, existen algunas limitaciones en medidas y espesores y pueden presentar cierto grado de ondulación. El vidrio, en general, tiene una alta resistencia a la acción de los agentes atmosféricos, instalado en las ventanas soporta la acción de la intemperie por muchos años. Sin embargo, el ácido fluorhídrico, algunas soluciones alcalinas, la cal y el cemento, pueden atacarlo fuertemente produciendo manchas capaces de deteriorarlo. La propiedad del ácido fluorhídrico de atacar el vidrio ha sido aprovechada para producir vidrios estampados y grabados, convirtiéndolos en excelente material de decoración.

1.4.2 PROPIEDADES MECÁNICAS La resistencia mecánica de cualquier producto de vidrio depende en gran parte de las condiciones de su superficie (Fig.1.5). Daños físicos, rayones y ataques químicos reducen considerablemente su resistencia, haciendo muy difícil dar un valor exacto de ella. Teóricamente la resistencia del vidrio plano a la tensión es de 10.000 Lbs./pulg2 (703.08 Kg/cm2), pero para efectos prácticos y debido a las consideraciones anteriores debe tomarse en cuenta sólo como valor teórico. Esta recomendación obedece a las deficiencias que se puedan presentar en el manejo, corte e instalación del vidrio, las cuales pueden en un momento dado producir el debilitamiento de su resistencia. La resistencia a la compresión es aproximadamente igual a 10 veces la resistencia a la tensión, sin embargo y debido a la característica quebradiza del vidrio, la rotura se produce casi siempre por tensión. 21

Fig. 1.5.- Bóveda de Vidrio

1.4.3 ESFUERZO DE CARGA ESFUERZO DE CARGA* Clases de vidrio

Carga Permanente

Carga Momentánea

Vidrio plano estirado

2200 lb/in2

4500 lb/in2

Vidrio plano flotado

1500 lb/in2

3000 lb/in2

Vidrio plano grabado

1100 lb/in2

2100 lb/in2

*Máximo esfuerzo a que puede ser sometido cada tipo de vidrio para una rotura no superior a 1% en vidrio de 4mm.

Tabla 1.4: Esfuerzo de Carga

Fig. 1.6.- Utilización de Vidrio como elemento decorativo.

22

1.4.4 DUREZA El vidrio, si se compara con otros materiales transparentes, es muy duro, es más duro que los plásticos y que muchos metales si se les somete a las pruebas de rayado en la escala de Mohs. Algunos valores típicos de esta escala son: Diamante 10, Zafiro 9, Topacio 8, Cuarzo 7 y Vidrio 6.

1.4.5 PROPIEDADES FÍSICAS Las principales propiedades físicas del vidrio se enumeran en la Tabla 1.5.

PROPIEDADES FISICAS Resistencia (promedio)

Tensión

300 a 700 Kg/cm2

Resistencia (promedio)

Compresión

9.153 Kg/cm2

Módulo de elasticidad

Módulo de Young

703.08 Kg/cm2

Dureza

Escala de Mohs

6

Peso específico

A 24 °C

2.49 g/cc.

Transmisión de luz

Rango visible

Transmitancia térmica

Valor U (A una diferencia de 1°F)

88% en 7mm 91% en 2mm 1.2 BTU/ft2 hr n°F 5Kcal/m2 hr °C 5.5 BTU/ft2 hr °F

Conductividad térmica

Valor K (A una diferencia de 1°F)

Indicé de refracción

Aproximadamente

1.5

Reflectancia

Total energía solar

8%

Choque térmico

Cambio de temperatura que puede soportar Tabla 1.5: Propiedades Físicas del Vidrio

23

5Kcal/m2 hr °C

60 °C

1.4.6 ESPECIFICACIONES Y MEDIDAS NORMALIZADAS En la tabla 1.6 se dan las dimensiones normalizadas para los espesores de vidrio más comunes. ESPECIFICACIONES Y MEDIDAS NORMALIZADAS Espesor

Altura

Ancho

nominal

fija

variable

mm.

cm.

en cm.

2

240

3

Peso

Tolerancia

Aislamiento

espesor en

acústico 100 -

Kg/m.

mm.

3150 Hz db/A

120

5.2

1.9 a 2.1

26

240

160

7.21

2.8 a 3.1

27

4

240

200

9.52

3.8 a 4.0

28

5

240

200

12.07

4.7 a 5.0

29

6

240

240

14.6

5.7 a 6.0

30

Tabla 1.6: Especificaciones y medidas del Vidrio

1.4.7 INSTALACIÓN Con el fin de obtener la mejor calidad es necesario que el vidrio se instale correctamente, o sea, con las líneas de ondulación paralelas a la línea de piso (Fig. 1.7). Con esta recomendación no se pretende incrementar áreas de vidrio utilizado, sino obtener el mejor rendimiento y utilización para atender las necesidades de visión e iluminación de cada ambiente. En una palabra, utilizar racionalmente el vidrio.

Fig. 1.7.- Medidas para la Instalación de un Vidrio.

24

1.4.8 CONTROL DE RADIACIÓN SOLAR En la tabla 1.7 se indica el porcentaje de control de radiación solar que tiene el vidrio en tres de sus espesores más utilizados. CONTROL DE RADIACION SOLAR Espesor

Luz solar % Transmitida

Energía Solar %

Reflejada Transmitida Reflejada

Valor U

Coeficiente

(BTU/hr-SQ.ft-F)

de sombra

4

63

6

68

6

1.08

0.8

5

58

6

64

6

1.09

0.76

6

50

5

60

5

1.09

0.69

Tabla 1.7: Control de Radiación del Vidrio

1.4.9 PROCESO PARA DETERMINAR EL ESPESOR DEL VIDRIO El espesor de un vidrio debe determinarse teniendo en cuenta sus dimensiones, el número de lados soportados y las presiones inducidas por el viento u otra causa, que actúan normalmente sobre el mismo. Aunque el procedimiento se aplica a los vidrios comunes, colocados verticalmente y soportados en los cuatro lados, se incluyen en la Tabla 1.8 los factores para definir las áreas máximas para vidrios templados y laminados. Se entiende por vidrios verticales aquellos instalados completamente verticales o con una inclinación máxima de 15° hacia cualquier lado. Valores de q en kN/m2 Altura m

Velocidad (kph) 60

70

80

90

100

110

120

0 – 10

0.2

0.27

0.35

0.45

0.55

0.67

0.79

10 – 20

0.22

0.3

0.4

0.5

0.62

0.75

0.89

20 – 40

0.27

0.37

0.48

0.61

0.75

0.91

1.08

40 – 80

0.33

0.45

0.59

0.74

0.92

1.11

1.32

80 – 150

0.4

0.54

0.71

0.9

1.11

1.34

1.59

› 150

0.5

0.68

0.88

1.12

1.38

1.67

1.99

Tabla 1.8: Valores para determinar el Espesor del Vidrio.

25

1.4.9.1 Velocidad del viento básico La velocidad del viento básico V es la velocidad de ráfaga de 3 segundos que se estima será excedida en promedio una vez cada 50 años, medida a 10 m de altura del terreno y en campo abierto. Los valores de esta velocidad deben obtenerse en función de la ubicación de la construcción (Ver Tabla 1.9).

1.4.9.2 Análisis simple Si al evaluar los efectos producidos por las fuerzas del viento con el análisis simple descrito a continuación, se encuentra que éstos no son fundamentales en el diseño, se puede adoptar el análisis simple como válido, con la presión del viento calculada mediante la ecuación: p = Cp.q.S 4

(Ec. 1.1)

y las Tablas 1.9, 1.10 y 1.11.

1.4.9.3 Presión producida por el viento El viento produce una presión p = Cp.q.S 4 Los valores de q para diferentes intervalos de altura se obtienen de la Tabla 1.9, con base en la velocidad del viento básico para el sitio, definido en el mapa de amenaza eólica. El coeficiente S 4 considera la variación de la densidad del aire con la altura sobre el nivel del mar (m) y debe tomarse de la Tabla 1.10.

26

ALTITUD

VALORES Cp

0

1

500

0.94

1000

0.88

1500

0.83

2000

0.78

2500

0.73

3000

0.69

Tabla 1.9: Valores de Cp para superficies Verticales

Coeficientes S 4 Estructuras Prismáticas con h