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ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE CABLES FORMADOS POR TORONES PARA EL MANEJO DE CARGA
EN GRÚAS.
CAMPOS SÁNCHEZ ANTONIO. Página i
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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE CABLES FORMADOS POR TORONES
PARA EL MANEJO DE CARGAS EN GRÚAS.
TESIS PROFESIONAL
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO
PRESENTA:
CAMPOS SÁNCHEZ ANTONIO
MÉXICO, D.F. FEBRERO DEL 2009
ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE CABLES FORMADOS POR TORONES PARA EL MANEJO DE CARGA
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALINSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
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TESIS INDIVIDUAL
PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECANICO DEBERA DESARROLLAR:
CAMPOS SÁNCHEZ ANTONIO
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JUSTIFICACION El objetivo de este trabajo es tener la seguridad de que el cable seleccionado sea el adecuado, tomando en cuenta el tipo de carga que se va a manejar, así como el lugar en que se va a operar la grúa para que en esas condiciones, la compañía o persona que compre o rente una grúa lo haga con la confianza de que el cable tendrá una vida útil mas prolongada y su trabajo estará seguro. OBJETIVO Es seleccionar adecuadamente el cable en base a la carga que se valla a manejar considerando los materiales por los que esta compuesto el cable de acero. Con el fin de reducir gastos inútiles e innecesarios para las empresas que los utilizan en grúas.
EL PROYECTO COMPRENDERÁ LOS SIGUIENTES PUNTOS:
1. ANTECEDENTE HISTÓRICO DE FABRICACIÓN Y USO DE CABLES DE ACERO. 2. FORMACION Y FABRICACIÓN DE CABLES. 3. INGENIERÍA BÁSICA 4. INSPECCIÓN DE CABLES DE ACERO 5. SELECCIÓN DEL CABLE ADECUADO
México D.F. 26 de febrero del 2009
ASESOR
M. en C. NEMESIO PANTALEÓN CHARCO
Vo. Bo.
EL DIRECTOR
ING. JORGE GÓMEZ VILLAREAL.
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AGRADECIMIENTOS
A mis padres: Sra. Rosa Sánchez Carrera Sr. José Luis López Morelos
Y hermanos: Jaqueline Marisol José Luis Y mi sobrina Evelyn.
Al profesor y asesor:
M. en C. NEMESIO PANTALEÓN CHARCO
Que con su apoyo y comprensión fue posible el logro de este objetivo de vida.
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INTRODUCCIÓN.
El Instituto Politécnico Nacional cuenta con una Coordinación General
de Vinculación Académica y Tecnológica este se encarga del fortalecimiento de la vinculación con los diferentes sectores de la sociedad, representando el eje en el que se apoyan las acciones educativas y de investigación que lleva a cabo el Instituto, sobre la base de que propicia la participación equitativa y organizada de la comunidad académica con los diferentes sectores de la estructura socioeconómica, y con el objeto de lograr una sólida integración de la educación con las perspectivas sociales, tecnológicas y productivas.
Las áreas que dependen de está Coordinación son:
CEMCI Centro Multidisciplinario de Competitividad Internacional. CMPL Centro Mexicano para la Producción Más Limpia.
Además del Instituto Politécnico Nacional, cada una de sus Unidades
Profesionales cuenta con un área de Vinculación Académica y Tecnológica la cual se encarga de realizar las funciones mencionadas anteriormente, además de crear vínculos de trabajo con organismos gubernamentales y no gubernamentales pertenecientes a la Comisión Nacional de Normalización, que es la encargada de coadyuvar la política de normalización y permitir la coordinación de actividades que en esta materia corresponda utilizar a las distintas dependencias y entidades de la administración publica federal. Integrando la Comisión Nacional de Normalización:
- Los subsecretarios correspondientes de las Secretarias de Desarrollo Social; Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca; Comercio y Fomento Industrial; Agricultura, Ganadería y Desarrollo Rural; Comunicaciones y Transportes; Salud; Trabajo y Previsión Social; y turismo.
- Representantes de la Asociación Nacional de Universidades e Institutos de enseñanza superior; de las cámaras y asociaciones de industriales y
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comerciales del país que determinen las dependencias; organismos nacionales de normalización y organismos del sector social productivo.
- Los titulares de las subsecretarias correspondientes de las secretarias de
Hacienda y Crédito Publico, de Contraloría y Desarrollo Administrativo, y de Educación Pública, así como del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología; del Centro Nacional de Metrología; del Instituto Nacional de Ecología; de la Procuraduría Federal del Consumidor; del Instituto Mexicano del Transporte; del Instituto Nacional de Pesca, y de los institutos de investigación o entidades relacionadas con la materia que se consideren pertinentes.
Estos se encargaran del desarrollo de las normas en nuestro país como
lo dicta la Ley Federal de Metrología y Normalización, la Comisión Nacional de Normalización, cada una de estas instancias cuentan con comités consultivos nacionales de normalización que son órganos para la elaboración de normas oficiales mexicanas y la promoción de su cumplimientos.
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SIMBOLOGÍA
símbolo Significado m Masa V Volumen w Peso, fuerza, trabajo T Temperatura, fuerza de tención, γ Peso especifico ν Volumen especifico μ Viscosidad dinámica F Fuerza A Área P Fuerza, carga concentrada, potencia Pa Pascal Kg Kilogramo Kgf Kilogramo fuerza ft Pie
pulg. Pulgada mm Milímetro cm Centímetro lb Libra N Newton g Gravedad h Altura ε Deformación normal unitaria
Hr Caída de presión r Radio Z Diferencia de alturas a Aceleración L Longitud φ Diámetro σ Esfuerzo normal
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ÍNDICE
CAPITULO 1 ANTECEDENTE HISTÓRICO DE FABRICACIÓN Y USO DE CABLES DE ACERO. 5 1.1 QUE ES UNA CUERDA? 61.2 ANTECEDENTE DE LA CUERDA. 61.2.1
CUERDA ENROLLADA 71.2.2 CUERDA TRENZADA 81.3 QUE ES UN CABLE DE ACERO? 81.3.1 ANTECEDENTES HISTÓRICO DEL CABLE DE ACERO? 9 CAPITULO 2 FORMACIÓN Y FABRICACIÓN DE CABLES. 14 2.1 DESCRIPCIÓN DEL CABLE DE ACERO 152.2 ALAMBRE 172.2.1 ALAMBRES PARA CABLES DE ACERO 182.2.2 DESIGNACIÓN DE LOS ALAMBRES 202.2.3 OBTENCIÓN DE MATERIALES 202.2.4 FORMAS, DIMENSIONES Y TOLERANCIAS 202.2.5 SELECCIÓN 212.2.6 ENSAYOS 212.3 TORÓN 212.4 ALMA 222.4.1 TIPOS DE ALMAS 222.4.1.1 ALMA DE FIBRAS NATURALES 222.4.1.2 ALMA DE FIBRAS SINTÉTICAS 222.4.1.3 ALMA DE ACERO DE TORÓN 232.4.1.4 ALMA DE ACERO INDEPENDIENTE 232.4.1.5 ALMA DE ACERO PLASTIFICADA 232.5 CABLE 232.5.1 SERIES 232.6 TORCIDO DE LOS CABLES 272.7 PREFORMADO 282.8 CABLES COMPACTADOS 282.9 CATALOGO DE CABLES SEGÚN SU USO EN LA INDUSTRIA 292.10 QUE ES UNA GRUA 342.11 PARTES DE UNA GRÚA TIPO TORRE 352.11.1 MÁSTIL 352.11.2 FLECHA 362.11.3 CONTRAFLECHA 36
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2.11.4 CONTRAPESO 372.11.5 LASTRE 372.11.6 CARRO 372.11.7 CABLE DE ELEVACIÓN 372.11.8 POLIPASTO 382.11.9 GANCHO 392.12 CLASIFICACIÓN DE LAS GUAS TORRE 402.13 INDICADORES DE CARGA Y ALCANCES 42
CAPITULO 3 INGENIERÍA BÁSICA. 43
3.1 HISTORIA DE LA INGENIERIA 443.2 LA INGENIERÍA CLÁSICA 443.3 LA INGENIERÍA EN LOS TIEMPOS MODERNOS 453.4 INGENIERÍA MECÁNICA 463.5 RESISTENCIA DE MATERIALES 473.5.1 ESFUERZO 473.5.2 ESFUERZOS EN VIGAS Y PILARES 483.5.3 TENSIÓN MECÁNICA 493.5.4 TENSIÓN CORTANTE 503.6 DEFORMACIÓN 513.6.1 DEFORMACIONES ELÁSTICA Y PLÁSTICA 513.7 LEY DE ELASTICIDAD DE HOOKE 523.8 RELACION ESFUERZO-DEFORMACION DEL ACERO 533.8.1 LÍMITE ELÁSTICO 543.8.2 RESISTENCIA A LA FLUENCIA
553.8.3 LIMITE DE FLUENCIA 553.9 FATIGA DE MATERIALES 563.9.1 TEORÍAS SOBRE LA FATIGA 563.9.2 TENCIONES CÍCLICAS 573.9.3 CURVA S-N 583.10 ROTURA 593.10.1 FACTORES QUE INTERVIENEN 603.11 INFLUENCIA DEL MEDIO 613.11.1 FATIGA TÉRMICA 613.11.2 FATIGA CON CORROSIÓN 613.12 ENSAYO DE TRACCIÓN 613.13 CURVA TENSIÓN-DEFORMACIÓN 633.14 MÓDULO DE ELASTICIDAD 653.15 CÍRCULO DE MOHR 663.16 TIPOS DE CARGAS 683.16.1 CARGAS MUERTAS 683.16.2 CARGAS VIVAS 69
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3.16.3 CARGAS ACCIDENTALES 703.17 VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL 703.18 DESVENTAJAS DEL ACERO 71 CAPITULO 4 INSPECCIÓN Y ANÁLISIS PRELIMINAR. 73
4.1 INTRODUCCIÓN 744.2 INSPECCION DEL EQUIPO 754.2.1 FRECUENCIA DE INSPECCIÓN 754.3 QUE HAY QUE BUSCAR 764.4 EVIDENCIA DE DESGASTE Y ABUSO 784.5 RECOMENDACIONES PARA LA INSPECCIÓN 804.5.1 DIÁMETRO DEL CABLE 824.5.2 PASO DEL CABLE 834.5.3 DESGASTE EXTERNO 854.5.4 FALLAS POR FATIGA 854.5.5 CORROSIÓN 854.6 INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA 874.7 EL DETERIORO EN LOS CABLES DE ACERO 884.8 EJEMPLOS TIPICOS DE DETERIORACION DE CABLES DE ACERO 894.9 RECOMENDACIONES PARA EXTENDER LA VIDA ÚTIL DEL CABLE 89
CAPITULO 5 SELECCIÓN DEL CABLE ADECUADO 90
5.1 SELECCIÓN DEL CABLE APROPIADO 915.1.1 CARGA DE ROTURA (RESISTENCIA) 915.1.2 RESISTENCIA A LAS FLEXIONES Y VIBRACIONES (FATIGA) 915.1.3 ABRASION 925.1.4 APLASTAMIENTO 935.1.5 RESISTENCIA DE RESERVA 935.1.6 EXPOSICION A LA CORROSION 945.2 SECTORES DE APLICACIÓN 945.3 FACTOR DE SEGURIDAD 995.4 ALARGAMIENTO DE UN CABLE DE ACERO 1005.4.1 ALARGAMIENTO PERMANENTE POR CONSTRUCCIÓN 1005.4.2 ALARGAMIENTO ELÁSTICO 1015.4.3 EXPANSIÓN O CONTRACCIÓN TÉRMICA 1025.5 DUREZA DE LOS ALAMBRES DE ACERO 1035.6 LUBRICACION 1035.7 ANTECENDENTES NECESARIOS PARA SOLICITAR UN CABLE DE
ACERO 104
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5.8 CALCULO DEL DIÁMETRO APROPIADO PARA EL CABLE EMPLEADO EN LA GRÚA.
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5.9 DISCUSIONES 1085.10 CONCLUSIONES 1095.11 BIBLIOGRAFIA 110
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CAPITULO 1
ANTECEDENTE HISTÓRICO DE FABRICACIÓN Y USO DE CABLES DE
ACERO.
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CAPITULO 1 1. ANTECEDENTE HISTÓRICO DE FABRICACIÓN Y USO DE CABLES DE ACERO. 1.1 QUE ES UNA CUERDA? Se denomina cuerda o soga al material elaborado de largas fibras, enrollado o fuertemente trenzado para obtener resistencia elástica para poder arrastrar a los objetos pesados. Las cuerdas son más resistentes, bajo el mismo diámetro, que los cables. Los materiales más empleados para la elaboración de cuerdas son la manila, cáñamo, lino, algodón, coir, yute, así como sisal. Las fibras sintéticas que se usan en la industria de elaboración de cuerdas incluyen el polipropileno, nylon, poliéster (por ejemplo PET, vectran), el polietileno (como el spectra) y las fibras aramidas (por ejemplo twaron, technora y el kevlar). Algunas cuerdas se elaboran con mezclas para aumentar la resistencia. Las cuerdas se pueden elaborar también de fibras metálicas. Las cuerdas se han elaborado de otros materiales fibrosos como puede ser la seda, lana, y pelo, pero tales cuerdas no son disponibles en el mercado urbano, existiendo en los ambientes rurales. La fibra de rayón es la que se emplea en la elaboración de cuerdas decorativas.
La cuerda es una herramienta empleada en ciertas actividades como la construcción, navegación, exploración, deportes y comunicaciones. Las cuerdas han sido usadas desde la edad prehistórica. Gracias al desarrollo de la cuerda se han inventado gran cantidad de cabos (nudos) con diversas utilidades. Las poleas se han empleado desde muy antiguo para redirigir la fuerza en otras direcciones, y pueden ser empleadas como una ventaja mecánica, permitiendo que múltiples fuerzas se apliquen al punto de apoyo final de la misma. Los winches y los cabestrantes son máquinas diseñadas para ser empujadas por cuerdas.
Los extremos se denominan chicotes mientras que su parte media seno.
1.2 ANTECEDENTE DE LA CUERDA.
El empleo de las cuerdas para la caza, el empuje, el estirado, atado, la suspensión y ascensión a cimas de montañas data desde la época prehistórica y siempre ha sido esencial en las actividades humanas básicas, así como en el progreso de la humanidad. Las primeras cuerdas eran tan largas como podrían haber sido las fibras de una planta, su intento de alargarlas dio lugar a las primeras cuerdas retorcidas. Los fragmentos cuasi-fosilizadas de lo que probablemente es una "cuerda enrollada de casi 7 mm de diámetro" que fue encontrada en la cueva de Lascaux, data de aproximadamente 17.000 ap.1
Los antiguos egipcios fueron probablemente la primera civilización que desarrolló una herramienta especial para hacer cuerdas. Los egipcios hicieron cuerdas que datan del 4000
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EN GRÚAS. al 3500 a. C. y se elaboraban principalmente de juncos. Otras cuerdas elaboradas en la antigüedad se hicieron de otras fibras como la palmera real, lino, hierbas, papiro, seda o incluso pelo animal. El empleo de estas cuerdas empujó a cientos de trabajadores de otras tierras a ser esclavizados por los egipcios con el objeto de mover grandes piedras y construir sus monumentos. Comenzando aproximadamente desde el 2800 a. C., las cuerdas se hicieron de fibras en China. La elaboración de cuerdas se expandió por todo Asia, India y Europa durante casi varios siglos.
Leonardo da Vinci dibujó ciertos esbozos de un concepto para una máquina que hacía cuerdas, fue una de sus muchas invenciones que nunca llegó a construir. Sin embargo su construcción no podía ser llevada a cabo sin el desarrollo de una tecnología avanzada: En 1586, Domenico Fontana erigió un obelisco de 327 toneladas en la Plaza de San Pedro de Roma con una fuerza concertada de 900 hombres, 75 caballos y una cantidad ingente de cuerdas. No fue hasta pasado el siglo XVIII cuando diversos inventos hicieron posible la invención de una máquina capaz de construir cuerda. Las cuerdas se continuaron haciendo de fibras naturales hasta la década de 1950s cuando las fibras sintéticas como el nylon se empezaron a convertir en algo popular.
1.2.1 CUERDA ENROLLADA
La cuerda enrollada o también denominada cuerda retorcida es desde el punto de vista histórico la forma más común de cuerda, al menos en la cultura de occidente. La mayoría de las cuerdas retorcidas consisten en tres fibras que se enrollan para aumentar la fortaleza y resistencia de la cuerda, (fig.1). Existen versiones con mayor cantidad de fibras enrolladas.
Fig.1 Máquina para la elaboración de cuerdas enrolladas con un método que data del año 1928.
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EN GRÚAS. 1.2.2 CUERDA TRENZADA
Las cuerdas trenzadas son generalmente de fibras sintéticas como el nylon, poliéster o el polipropileno. Se elige el nylon debido a sus características de fortaleza y tenacidad además de poseer una buena resistencia a las inclemencias del tiempo así como a la radiación ultravioleta. El poliéster es cerca de un 90% más fuerte en estiramiento que en carga, es mucho más resistente a la abrasión y posee una mayor resistencia a los UV, sufriendo cambios pequeños en longitud cuando se humedece. Por regla general se prefiere el polipropeno debido a su bajo coste y su baja densidad (puede flotar en agua). Ejemplo fig.2
Fig. 2 Vista ampliada de una cuerda.
1.3 QUE ES UN CABLE DE ACERO? El Cable de Acero es una máquina simple, que está compuesto de un conjunto de elementos que transmiten fuerzas, movimientos y energía entre dos puntos, de una manera predeterminada para lograr un fin deseado. Los cables de acero se fabrican de filamentos de alambre entrelazados y el número de alambres comúnmente usado es de 4, 7, 12, 19 y 37. Normalmente los alambres son entrelazados en filamentos en la dirección opuesta al giro del filamento en el cable. Como regla básica a mayor número de alambres en el filamento, se tendrá mayor flexibilidad del cable. Por el contrario, a menor número de alambres, se tendrán un cable más rígido.
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1.3.1 ANTECEDENTES HISTÓRICO DEL CABLE DE ACERO? La historia de los cables de acero, nos lleva al periodo de 1849 a 1889, que fue cuando la mayoría de las formas básicas de cable de acero, que actualmente continúan en uso, se desarrollaron. Previamente, en Alemania, se habían desarrollado cables que se utilizaron en minería y que consistían en tres secciones de alambre del mismo tamaño, de hierro forjado, que se entrelazaban entre ellos a mano, para hacer un filamento. Después, tres o cuatro filamentos más, se entrelazaban entre sí, para formar el cable de acero, muy rudimentario. Estos cables hechos a mano, fueron conocidos como “Cables Albert”, debido al oficial minero en las montañas de las minas de plata de Harz, que promocionaba su uso. Estos cables no eran muy flexibles, pero resultaron superiores a las cadenas que tendían a romperse sin advertencia. Desafortunadamente, el tedioso proceso de fabricarlas, impidió el uso en otras áreas, ya que ninguna tenía un corazón que soportara los filamentos exteriores. Se abandonó su uso en 1850. Mientras tanto, en Londres, Andrew Smith, experimentaba varias formas de anclar los barcos al muelle utilizando cables de acero. Así, al abrirse el negocio del ferrocarril Blackwall, utilizó la técnica de las cuerdas de cáñamo en este negocio. Al mismo tiempo, otro inglés, Robert Newall, notó la conveniencia de utilizar maquinaria en lugar del torcido a mano, que fue probado con éxito en el negocio del ferrocarril, lo que los llevó a una disputa de patentes en 1845, mismo que al final condujo a la fusión de ambas compañías, como Smith and Newall y continúan hasta la fecha. Smith, pronto dejó Inglaterra con la fiebre del oro en California. El estilo del cable de Newall, que era fabricado de seis filamentos, cada uno con su respectiva fibra en el núcleo y todos retorcidos helicoidalmente sobre un núcleo central, pronto dominó el mercado Inglés. Sin embargo, la mayor contribución inglesa a la industria, fue la idea de hacer los filamentos en una máquina conocida como trefiladora. Los ferrocarriles y los cables de alambre, caminaron a la par, ya que se conocieron los experimentos de los ingleses y alemanes, que se difundieron rápidamente en los Estados Unidos. Previamente al advenimiento de la locomotora a vapor, los primeros ferrocarriles lograron subir grandes elevaciones mediante una combinación de grúas con cuerda de cáñamo y descenso por gravedad, que operaban muy similarmente a los modernos sistemas para el transporte de esquiadores. En Pensilvania, un sistema de transportación a campo traviesa, conocido como Allegheny Portage RR, aceptaron probar un cable de acero hecho a mano en 1842, como sustituto a los cables de cáñamo, que tendían a pudrirse en poco menos de un año. La prueba fue
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satisfactoria y la compañía cambió a cables de alambre. Esto atrajo la atención de la compañía Morris Transportation System en New Jersey y a muchas mas compañías de transporte de carbón, incluyendo a Delaware & Hudson Co. en New York y Lehigh Co. En Pensilvania. Estos cables de acero, fueron nombrados por el topógrafo John Roebling. Que aunque él retorcía los cables a mano, como Albert, adoptó la construcción del cable en seis filamentos mas el núcleo, como Smith y Newall; sin embargo, estaba construida totalmente de alambre, utilizando un núcleo o alma, que era idéntico a los seis filamentos exteriores, cada uno compuesto de 19 alambres. Roebling pronto descubrió que este proceso de retorcer 19 alambres juntos, hacía un filamento que tendía a ser hexagonal en lugar de redondo. Por lo que lanzó una serie de experimentos con cables hechos a máquina, buscando una forma de hacer filamentos redondos. Mientras tanto, uno de sus clientes Lehigh Co., se movió rápidamente y construyó su propia fábrica de cables de alambre en 1848. Esta fábrica, ahora propiedad de Bridon International, la misma compañía que absorbió a la original Smith and Newall, en Inglaterra, continúa operando en Wilkes-Barre, Pa. Por lo que Roebling dejó las investigaciones y se concentró en la fabricación de cables, construyendo una fábrica más grande en Trenton, N.J., en 1849. Al mismo tiempo que la fábrica inició operaciones, Roebling logró el primer avance en la teoría de los cables de alambre, al dares cuenta que los defectos de los cables de seis filamentos, podían corregirse al combinar alambres de diferente diámetro en los filamentos, por lo que diseñó la construcción Warrington, en tres tamaños. Empezando con un filamento de siete alambres de un mismo tamaño, al que le añadió una capa exterior de 12 alambres de dos tamaños alternados. Después de numerosas pruebas, encontró que daban un ligero mejor servicio en algunas aplicaciones. Aunque el objetivo original de la invención era crear una mejor redondez, los nuevos filamentos arrojaban en efecto colateral de mayor significado. Porque había menos espacio en los huecos dentro del mismo filamento, el mayor factor de llenado permitía a los filamentos hacerlos como se les conoce, bajo el principio de poner igual, donde cada alambre en la cubierta exterior es acuñado por dos alambres en una capa interior, creando mejor soporte sin el efecto de cruzamientos interiores. Este principio de poner igual, no fue obvio hasta la introducción de las modernas trefiladoras de alta velocidad alrededor de 1850. Desafortunadamente, en un accidente con su propia maquinaria, el brazo y hombro de Roebling fueron atrapados por un rodillo en 1849. Tuvieron que pasar muchos años hasta que recuperó completa movilidad. Durante este periodo, diversificó su atención a la construcción de puentes suspendidos mediante cables, por lo que es muy famoso actualmente. Esta diversificación lo impidió de explotar totalmente los méritos de la construcción de los tres tamaños. Cuando fue introducida nuevamente después bajo el
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nombre Warrington, mucha gente pensó que la construcción de tres tamaños, era un invento inglés. Roebling nunca patentó su logro, así que la historia de su invención permanece a oscuras. Mientras tanto, durante la recuperación de Roebling, las técnicas de fabricación de cables inglesas fueron introducidas a California. El inventor Andrew Smith, regresó a Inglaterra en 1853, pero su hijo, Andrew H. Smith, permaneció en California, buscando fortuna en los campos mineros de oro. Después de escarbar por muchos años, se movió a San Francisco, cambiando su nombre a A.S. Hallidie y lanzó un negocio de cables en 1857. Dedicándose al concepto de mejorar los cables de alambre de tranvías, para las minas de oro y plata de California y Nevada. Estos tranvías mineros fueron un éxito en 1860. El también construyó numerosos puentes de suspensión mediante cables y desarrolló su propia versión de poner igual en los filamentos, que ahora se conoce como el Cable California, utilizando alambres de forma triangular. Que de alguna manera, este método de Hallidie era superior al de Roebling, con la excepción de que el alambre triangular es costoso y difícil de fabricar. Todo esto por otra parte, Hallidie es mejor conocido por su adaptación de los cables para los tranvías mineros a las calles de San Francisco en 1872 y el nacimiento del famoso sistema de cables para carros de tranvía de la ciudad. El original tranvía a cable en la calle Clay, fue un éxito instantáneo como un sistema de transporte. A la vuelta de la noche, los competidores se lanzaron a los negocios en otras calles cercanas con colinas. Los carros a cable difieren de los tranvías suspendidos debido a que las cuerdas o cables son sujetos a condiciones más severas de servicio. El constante avance y paradas de los carros que tienen una mordaza deslizable, combinado con las numerosas deflexiones de las poleas, requieren que el cable bajo tierra, se adecue al perfil de la superficie de las calles, lo que provoca que los cables de alambre se destruyan en un periodo corto. De esta forma, San Francisco, se convirtió rápidamente en el mercado de cables más grande. Uno de los mayores competidores de Hallidie en el transporte era Leland Stanford, él se había involucrado en numerosas empresas exitosas incluyendo el ferrocarril transcontinental. Stanford, intentaba hacer su tranvía de cable el mejor de la ciudad. Para lograr esto, contrató a Thomas Seale como superintendente, quién se dedicaba al movimiento de tierras. Nacido en Irlanda, Seale viajó a California con su hermano con la fiebre del oro, donde obtuvieron suficientes ganancias conformando las calles cerca de la costa de San Francisco. Los hermanos Seale, eran propietarios de un enorme rancho adyacente al de Stanford en Palo Alto. La construcción de los cables de Roebling, de tres tamaños, no eran muy adecuados para el servicio del tranvía de cable, debido a que los pequeños alambres delgados alternos
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exteriores, invariablemente se desgastaban primero, rompiéndose y enredándose en la maquinaria y los tubos subterráneos. Los inventores ingleses estaban experimentando con filamentos de forma elíptica y triangular, para resolver este problema. Estos filamentos aplanados, resultaron mejores cuando fueron probados, pero era muy costoso producirlos. Por último, la enorme demanda de cable de alambre en San Francisco, estimuló una enorme competencia entre la compañía de Roebling y de Hallidie, lo que favoreció una disminución en los precios. La demanda del cable para tranvías se expandió sobre todo Estados Unidos, ya que otras ciudades instalaron tranvías de cable en 1870 y 1880. Los tres fabricantes americanos que existían, no pudieron hacer frente a la demanda, lo que trajo a muchas otras compañías a la fabricación de cable. En San Francisco, el dilema del servicio corto en el cable fue atajado por Thomas Seale, cuya solución pronto se convirtió en la respuesta aceptada para el problema del severo desgaste exterior combinado con múltiples dobleces en reversa, sobre poleas de diámetro pequeño. La patente de Seale (#315,077 Abril 7, 1885) se basa en el reacomodo de tres tamaños de alambre, en un patrón totalmente diferente, de tal forma que todos los alambres de gran tamaño, están lado a lado en el exterior del filamento. El objetivo era lograr un incremento en la resistencia a la abrasión sin la pérdida de flexibilidad. Más importante, la patente también describía, por primera vez, el concepto básico de los filamentos repartidos uniformemente, que es inherente en el concepto de tres tamaños de Roebling, pero que no había sido explicado previamente, como la solución para evitar el mellado interno al cruzarse los cables. Desafortunadamente, las notas de Seale se perdieron y los detalles de cómo desarrolló su famosa construcción permanecen desconocidos. La mayoría de las compañías de cable de alambre, incluyéndo la de Roebling, adoptaron los principios de Seale, aunque parecía evidente que los filamentos tipo Seale, eran mucho mas resistentes a la abrasión, tenían la tendencia de ser ligeramente menos flexibles y por lo mismo, con menor resistencia a la fatiga. Posteriores análisis del problema fueron desarrollados por James B. Stone, quién era superintendente para Washburn & Moen en Worcester, Mass., en 1880. (Washburn & Moen posteriormente fue conocida como American Steel & Wire y después de 1900, se convirtió en una parte importante del conglomerado conocido como United States Steel.) Stone, había inventado ya máquinas trefiladoras de alta velocidad, para la fábrica de cables. Y también había estudiado al detalle, muchos sistemas de cable para tranvías y concluyó que cuatro diferentes tamaños de alambre, no tres, serían necesarios para crear el mejor factor de llenado, para la concentricidad de filamentos. A menor tamaño de alambre, conocido como alambre de relleno, se necesitaban insertar en el cable para efectos de acolchonamiento. Después de probar con este concepto, Stone notó que seis rellenos eran la clave para hacer filamentos redondos, igual mente puestos a alta velocidad, obtenidos de 19 alambres del
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mismo tamaño. La patente de James Stone (#416,189 Diciembre 3, 1889) describe lo que ahora se conoce como 6 por 25, en la construcción con alambres de relleno. El significado del desarrollo americano, en la construcción de cables de alambre, no puede ser minimizado. Hoy el cable de 6 por 25 de James Stone's, es el mas usado, en la construcción de cables, en las aplicaciones de uso general. La patente de Thomas Seale, de la forma del cable de alambre, es usada ampliamente, particularmente en cualquier clase de aplicación donde se tenga una abrasión muy severa; y la construcción Warrington de tres tamaños, de John Roebling, continúa siendo popular para cables de diámetro pequeño, donde el principio del alambre de relleno, no puede ser aplicado. Donde los carros tranvías municipales de A.S. Hallidie's, fueron suplantados por ferrocarriles o tranvías electromotrices, que a su vez, fueron sustituidos por negociantes de General Motors y Ford, por todas partes, excepto en su lugar original en San Francisco, los conductores de automóviles atrapados en congestionamientos, quizás ocasionalmente se pregunten sobre la sabiduría de sacar del negocio a los tranvías de cable. Pero las innovaciones fundamentales en la construcción del cable de alambre, derivado de los experimentos americanos en el transporte, han beneficiado a los usuarios del cable de alambre por todas partes.
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CAPITULO 2
FORMACIÓN Y FABRICACIÓN DE
CABLES
ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE CABLES FORMADOS POR TORONES PARA EL MANEJO DE CARGA
EN GRÚAS.
CAPITULO 2 2 .FORMACIÓN Y FABRICACIÓN DE CABLES. 2.1 DESCRIPCIÓN DEL CABLE DE ACERO
El Cable de Acero es una máquina simple, que está compuesto de un conjunto de elementos que transmiten fuerzas, movimientos y energía entre dos puntos, de una manera predeterminada para lograr un fin deseado.
El conocimiento pleno del inherente potencial y uso de un Cable de Acero, es esencial para elegir el cable más adecuado para una faena o equipo, tomando en cuenta la gran cantidad de tipos de cables disponibles.
Cada cable de acero, con sus variables de diámetro, construcción, calidad de alambre, torcido, y su alma; se diseñan y fabrican cumpliendo las Normas Internacionales como:
American Petroleum Institute (A.P.I. Standard 9A) American Federal Specification (RR-W-410D) American Society For Testing & Materials (A.S.T.M.) British Standards Institute (B.S.) Detaches Normenausschuss (D.I.N.) International Organization for Standardization (I.S.O.)
El entendimiento completo de las características de un cable de acero es esencial e involucra un conocimiento profundo de las condiciones de trabajo, factores de carga y resistencias del cable, porque hay que tener presente que: "donde hay un cable de acero trabajando, hay vidas humanas en juego y que frecuentemente es usado como un fusible en los diferentes equipos".
Para este efecto comenzaremos a describir un cable de acero, indicando el nombre de cada elemento que lo compone, con el fin de tener un vocabulario de acuerdo a lo que a continuación se menciona. Fig.1 y 2.
Fig. 1 Partes del Cable de Acero
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Fig. 2 Diagrama de Producción del Cable de Acero
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2.2 ALAMBRE
Es el componente básico del cable de acero, el cual es fabricado en diversas calidades, según el uso al que se destine el cable final. El Alambre de acero, es el componente básico del cable de acero. Este alambre es fabricado con acero de alto carbono y tiene distintos grados o calidades, que dependen de los requerimientos finales del cable. Las calidades no sólo se refieren a la resistencia a la tracción, sino también a la resistencia a las torsiones axiales, plegados (o dobleces) y si están o no recubiertos con zinc (galvanizado). En el caso de los alambres galvanizados, existen normas para su recubrimiento con zinc, tanto en el espesor de la capa como su concentricidad y adherencia. Todas las características de los alambres de acero, están especificadas en la Norma ISO 2232, que rigen para los cables. Grado o calidad de los alambres de acero son: 1240 N/mm2 (126Kg/mm2) 1570 N/mm2 (160Kg/mm2) 1770 N/mm2 (180Kg/mm2) 1960 N/mm2 (200Kg/mm2) La flexibilidad de un cable de acero está en proporción inversa al diámetro de los alambres externos del mismo, en cuanto que la resistencia a la abrasión es directamente proporcional a este diámetro. En consecuencia, elegir una composición con alambres finos cuando prevalezca el esfuerzo a la fatiga de doblamiento, y una composición de alambres externos más gruesos cuando las condiciones de trabajo exijan gran resistencia a la abrasión. Por regla general, vale la siguiente fig. 3
Fig. 3 Resistencias a la abrasión por flexibilidad
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2.2.1 ALAMBRES PARA CABLES DE ACERO
Los alambres para la producción de cables de acero se clasifican en: Tipos, Clases y Grados.
Tipos
Según su recubrimiento y terminación serán de tres tipos:
Tipo NB: Negro brillante. Tipo GT: Trefilados después de zincados. Tipo G: Zincados después de trefilados.
Clases
Según la cantidad de zinc por unidad de superficie serán de dos clases:
Clase A: Zincado grueso, (pesado). Clase Z: Zincado liviano.
Grados
Según la calidad nominal del acero de sus alambres, definida por su resistencia nominal a la tracción, número de torsiones, doblados, adherencia del recubrimiento de zinc, uniformidad del recubrimiento de zinc y peso del recubrimiento de zinc se designaran por: (fig. 4)
NOMBRE COMÚN RESISTENCIA NOMINAL A LA TRACCIÓN [ Kg / mm2 ]
Grado 1 Acero de tracción 120 - 140 Grado 2 Arado suave 140 - 160 Grado 3 Arado 160 - 180 Grado 4 Arado mejorado 180 - 210 Grado 5 Arado extra mejorado 210 - 245 Grado 6 Siemens-Martin 70 mínimo Grado 7 Alta resistencia 100 mínimo Grado 8 Extra alta resistencia 135 mínimo
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Fig. 4 diagrama de grados.
El grado 1 solo se usara con alambre sin zincar. Los grados del 2 a 5 se usaran con alambre con o sin zincado. Los grados del 6 al 8 se usaran solo con alambre zincado. Cuando el alambre sea zincado se agregara una G en la designación. Los grados 1, 2, 3, 4 se consideraran corrientes. La calidad de los grados 5, 6, 7, 8 pueden ser establecidas por convenio entre
comprador y productor o vendedor, el intervalo de resistencia a la tracción será inferior o igual a 20 Kg/mm2.
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2.2.2 DESIGNACIÓN DE LOS ALAMBRES
Los alambres para cables de acero se designan por su diámetro nominal, grado del acero, luego entre paréntesis se anota el intervalo de resistencia a la tracción, el tipo y clase de terminación.
2.2.3 OBTENCIÓN DE MATERIALES
Los alambres para cables de acero se pueden obtener por el siguiente método:
Por trefilado en frío de aceros laminados en caliente. El acero utilizado debe cumplir requisitos tales como:
Obtenerse por cualquier proceso básico, excepto el de convertidor Bessemer Thomas (aire o mezcla aire oxigeno).
Tener un contenido de azufre inferior o igual a 0.050% y de fósforo inferior a 0.050%. En el caso que se requiera un alambre zincado, este deberá aplicarse electrolíticamente o por inmersión en caliente, el zinc deberá tener un una pureza igual o superior a 98.5%.
Los alambres obtenidos mediante este método son almacenados en: rollos, bobinas o quesos. Los alambres que no han sido galvanizados son bañados en aceite para evitar su oxidación ya que esta influye en la resistencia a la tracción sobre todo en los alambres de menor diámetro. El resto de los alambres son almacenados sin ninguna clase de recubrimiento que los proteja.
2.2.4 FORMAS, DIMENSIONES Y TOLERANCIAS
Los alambres para cables de acero son de sección circular, con un diámetro que varia de 0.19 hasta 5 mm (la variación del diámetro depende del fabricante).
Se les realiza una comprobación de su diámetro con dos dimensiones, a 90º una de otra, en la misma sección del alambre, las cuales deben quedar dentro de las tolerancias dadas en la tabla referente a los grados.
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2.2.5 SELECCIÓN
El alambre para cable de acero se selecciona según el tipo de cable que se quiera fabricar, es así como se utiliza un alambre galvanizado para cables que trabajaran en ambientes húmedos. Depende también de la flexibilidad que se le quiera dar al cable, así como de la cantidad de alambres que llevara y del trato al cual será sometido este.
2.2.6 ENSAYOS
Los alambres para cables de acero son sometidos a varios procesos de ensayo para comprobar su calidad, los ensayos a los que son sometidos son:
Ensayo de tracción. Ensayo de torsión. Ensayo de doblado. Determinación de la adherencia del recubrimiento de zinc. Ensayo de uniformidad del recubrimiento de zinc. Determinación del peso del recubrimiento de zinc.
2.3 TORÓN Está formado por un número de alambres de acuerdo a su construcción, que son enrollados helicoidalmente alrededor de un centro, en una o varias capas. Los Torones de un cable de acero, están formados por un determinado número de alambres enrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central y dispuesto en una o más capas. A cada número y disposición de los alambres se les llama CONSTRUCCION y son fabricados generalmente según el concepto moderno, en una sola operación con todos los alambres torcidos en el mismo sentido, conjuntamente en una forma paralela. En esta manera se evitan cruces y roces de los alambres en las capas interiores, que debilitan el cable y reducen su vida útil y puede fallar sin previo aviso. Los torones son compactados durante el proceso de torcido, obteniendo con ello una mayor área metálica y por lo tanto una mayor resistencia a la rotura, para un mismo diámetro nominal; una mayor superficie de contacto de los alambres exteriores con las poleas, tambores, etc. Dando una mayor resistencia a la abrasión, por lo tanto, menor desgaste de las poleas, tambores, etc. También ofrece una mayor resistencia al aplastamiento y disminuyendo de vibraciones internas, su alma puede ser de acero, acero plastificado o fibra. Las principales construcciones de los torones, se pueden clasificar en tres series: Serie 7: Incluyen construcciones que tienen desde 3 a 14 alambres. Serie 19: Incluyen construcciones que tienen desde 15 a 26 alambres. Serie 37: Incluyen construcciones que tienen desde 27 a 49 alambres.
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El torón según el requerimiento del cable final, puede ser torcido a la derecha o a la izquierda. 2.4 ALMA Es el eje central del cable donde se enrollan los torones. Esta alma puede ser de acero, fibras naturales o de polipropileno. El Alma es el eje central o núcleo de un cable, alrededor del cual van colocados los torones. Su función es servir como base del cable, conservando su redondez, soportando la presión de los torones y manteniendo las distancias o espacios correctos entre ellos. 2.4.1 TIPOS DE ALMAS Hay dos tipos principales de Almas:
Fibra (Naturales y Sintéticas) Acero (de Torón o independiente)
2.4.1.1 ALMA DE FIBRAS NATURALES
Estas pueden ser "Sisal" o "Manila", que son fibras largas y duras. Existen también de "Yute", "Cáñamo" o "Algodón", pero no se recomiendan por ser blandas y se descomponen rápidamente, pero sí está permitido usar estas fibras como un relleno en ciertas aplicaciones y construcciones. En general las Almas de Fibras Naturales se usan en cables de ingeniería (Ascensores y cables de izare de minas), porque amortiguan las cargas y descargas por aceleraciones o frenadas bruscas. Se recomienda no usar en ambientes húmedos y/o altas temperaturas (sobre 80ºC). 2.4.1.2 ALMA DE FIBRAS SINTÉTICAS
Se han probado varias fibras sintéticas, pero lo más satisfactorio hasta hoy día es el “Polipropileno”. Este material tiene características físicas muy similares a “Manila” o “Sisal”, y tiene una resistencia muy superior a la descomposición provocada por la salinidad. Su única desventaja es ser un material muy abrasivo entre sí, por lo tanto, tiende a perder su consistencia si está sujeto a muchos ciclos de operación sobre poleas con mucha tensión. Por esta razón un alma de “Polipropileno” no es recomendable en cables para uso en ascensores o piques de minas. Generalmente se usa en cables galvanizados para pesca y faenas marítimas, dando en estas actividades excelentes resultados. No debe emplearse en ambientes de altas temperaturas.
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2.4.1.3 ALMA DE ACERO DE TORÓN
Un cable con un alma de Torón es un cable donde el alma está formada por un solo Torón, cuya construcción generalmente es la misma que los torones exteriores del cable. Principalmente, esta configuración corresponde a cables cuyo diámetro es inferior a 9.5 mm (3/8"). 2.4.1.4 ALMA DE ACERO INDEPENDIENTE
Esta es en realidad otro cable de acero en el núcleo o centro del cable y generalmente su construcción es de 7 torones con 7 alambres cada uno (7 x 7). Un cable de acero con un Alma de Acero de Torón o Independiente, tiene una resistencia a la tracción y al aplastamiento superior a un cable con alma de fibra, pero tiene una menor elasticidad. Se recomienda el uso de cables con Alma de Acero, donde hay altas temperaturas (superiores a 80º) como en hornos de fundición o donde existan altas presiones sobre el cable, como por ejemplo en los equipos de perforación petrolera, palas o dragas mecánicas. 2.4.1.5 ALMA DE ACERO PLASTIFICADA
Últimamente se ha desarrollado Alma de Acero Plastificada, cuya característica principal radica en eliminar el roce entre los alambres del alma con los alambres del torón del cable (su uso principal está en los cables compactados). 2.5 CABLE Es el producto final que está formado por varios torones, que son enrollados helicoidalmente alrededor de un alma. Como se ha dicho, el cable es el producto final y se identifica por el número de torones y el número de 2 alambres de cada torón, sus 2 tipos de almas y si son negros o galvanizados. 2.5.1 SERIES
Las principales series de cables son:
SERIE 6x7 (con 3 a 14 alambres por torón)
Aunque hay varias alternativas en esta serie la mas común es donde cada uno de los seis torones que forman el cable, está construido de una sola hilera de alambres colocado alrededor de un alambre central. Debido a que el número de alambres (7) que forman el torón es reducido, nos encontramos con una construcción de cable armado por alambres
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EN GRÚAS. gruesos que son muy resistentes a la abrasión, pero no recomendable para aplicaciones donde requiere flexibibilidad. Detalle en fig.1
Fig.1 detalle del cable 6x7 Diámetro mínimo de poleas y tambores. 42 veces el diámetro del cable.
SERIE 6X19 (Con 15 a 26 Alambres por Torón) Existen varias combinaciones y construcciones de cables en este grupo, los torones se construyen usando de 15 hasta 26 alambres, lo que facilita la selección del cable mas adecuado para un trabajo determinado. Anteriormente, la construcción más en uso en cables mayores a 8 mm. de diámetro era la construcción 6x 19 Filler (12/6F/6/1), conocido también como 6x25 por tener la ventaja de tener un nivel de resistencia a la abrasión y aplastamiento aceptable, pero también suficiente flexibilidad para trabajar en poleas o tambores que no tengan un diámetro muy reducido en relación al diámetro del cable. La construcción 6 x 19 Filler está formada por seis torones de 25 alambres cada uno que están integrados por dos capas de alambres principales colocados alrededor de un alambre central, con el doble de alambres en la capa exterior (12) a los que tienen la capa interior (6). Entre estas dos capas se colocan 6 alambres más delgados, como relleno (Filler) para darle la posición adecuada a los alambres de la capa exterior. Detalle fig. 2
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Fig. 2 Detalle del cable 6x19 Filler Diámetro mínimo de poleas y tambores: 26 veces el diámetro del cable.
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EN GRÚAS. Con el pasar del tiempo ha surgido otra construcción que está remplazando el diseño anterior debido a que se ha demostrado que este nuevo diseño ofrece un mayor rendimiento y utilidad para los usuarios. La construcción 6 x 26 está formada por seis torones con 26 alambres cada uno, que están integrados por tres capas de alambres colocados alrededor de un alambre central En la capa exterior hay 10 alambres la capa intermedia hay 5 alambres de un diámetro y 5 alambres de un diámetro interior puestos en una manera alternada y la capa interior también tiene 5 alambres puestos sobre un alambre central. Aunque esta construcción tiene una flexibilidad un poco menor que la construcción antigua (6 x 25), la construcción 6 x 26 tiene una sección de acero mas sólida y alambres exteriores mas gruesos, por lo tanto, tiene una mayor resistencia a la compresión y a la abrasión. Detalle fig. 3
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Fig. 3 detalle del cable 6x26 Diámetro mínimo de poleas y tambores. 30 veces el diámetro del cable. En este grupo hay una tercera construcción que tiene un alto volumen de consumo en trabajos bien definidos y ésta se llama 6x19 Seale. Esta construcción está formada por 6 torones de 19 alambres cada uno, que están integrados por dos capas de alambres del mismo número (9), colocados alrededor de un alambre central. En este caso, los alambres de la capa exterior son mas gruesos que los alambres de la hilera interno, con el objeto de darle una mayor resistencia a la abrasión, pero su flexibilidad es menor que los 6 x 26, aunque no son tan rígidos como la construcción 6 x 7. Detalle en fig. 4
Fig. 4 detalle cable 6x19 Seale
Diámetro mínimo de poleas y tambores. 34 veces el diámetro del cable.
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SERIE 6 x 37 (Con 27 a 49 Alambres por Torón) Las construcciones de este equipo son más flexibles que las de los grupos 6 x 7 y 6 x 19, debido a que tienen un mayor número de alambres por torón. Este tipo de cables se utiliza cuando se requiere mucha flexibilidad. No se recomiendan cuando son sometidos a una abrasión severa, porque el diámetro de sus alambres externos es pequeño. En este grupo la construcción 6 x 37 es generalmente encontrada en cables con diámetros menores a 9 mm. En diámetros superiores a 8 mm los cables son fabricados con el concepto moderno con todos los alambres torcidos conjuntamente en una forma paralela en cada torón, evitando roce interno y logrando una mayor útil. Como existen varias construcciones en este grupo, se presentan las de mayor uso y sus rangos de diámetros para obtener el óptimo rendimiento. Detalle fig. 5
Fig. 5 Detalle cable 6x37 Diámetro mínimo de poleas y tambores. 23 veces el diámetro del cable.
SERIE 8 x 19 y 8X37 Además de los grupos antes señalados, es conveniente mencionar las series 8 x 19 y 8x37 que están fabricados con 8 torones alrededor de un alma. Al utilizar 8 torones en vez de 6, hace que el cable sea más flexible, pero debido a que este tipo de cable tiene un alma más grande que los cables de 6 torones, lo hace menos resistente al aplastamiento. Existen construcciones en esta serie tanto con almas de fibra, almas de acero y almas de acero plastificadas para usos bien especificados sobre los cuales hay antecedentes mas adelante.
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2.6 TORCIDO DE LOS CABLES
Los cables generalmente se fabrican en torcido REGULAR y torcido LANG, en los cables con torcido REGULAR, los alambres del torón están torcidos en dirección opuesta a la dirección de los torones en el cable. Los alambres y los torones en un cable torcido LANG están torcidos en la misma dirección de los torones en el cable.
Los cables con torcido LANG, son ligeramente más flexibles y muy resistentes a la abrasión y fatiga, pero tienen el inconveniente de tener tendencia a destorcerse por lo que únicamente deberán utilizarse en aquellas aplicaciones en que ambos extremos del cable estén fijos y no le permitan girar sobre sí mismos.
Los cables con torcido REGULAR son más fáciles de manejar, son menos susceptibles a la formación de "cocas" y son más resistentes al aplastamiento y destorsión. Presentan menos tendencia a destorcerse al aplicarles cargas aunque no tengan fijos ambos extremos.
Los cables pueden fabricarse en TORCIDO DERECHO o IZQUIERDO, tanto en el torcido REGULAR como en el LANG. En la mayoría de los casos, no afecta el que se use un cable con TORCIDO DERECHO o IZQUIERDO. Los cables con TORCIDO DERECHO se conocen como los de "fabricación normal", por lo tanto, son los que se utilizan en la
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mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, existen aplicaciones en que los cables con TORCIDO IZQUIERDO proporcionan ciertas ventajas, como en el caso de las máquinas perforadoras de percusión, al tender a apretar las roscas de los aparejos.
También existen otros tipos de torcidos conocidos como el torcido Alternado o HERRINGBONE que consiste en alternar torones regulares y lang. Estos tipos de cables tienen muy pocas aplicaciones.
2.7 PREFORMADO
El concepto de Preformado significa que tanto los alambres individuales como los torones tienen la forma helicoidal exacta que llevarán en el cable terminado. Las principales ventajas del Preformado son mayor flexibilidad, facilidad de manejo, superior resistencia a las "cocas" y distribución uniforme de la carga entre todos los alambres y torones.
En los cables no Preformados, los torones son mantenidos en su sitio a la fuerza, por lo que están sujetos a grandes tensiones internas. En un cable Preformado los alambres y torones están en reposo, dado que su forma definitiva le fue aplicada durante el proceso de fabricación.
La eliminación de esfuerzos internos en el cable preformado garantiza una mayor vida útil. Por las razones mencionadas, se fabrican según las normas de los cables en estado preformado.
2.8 CABLES COMPACTADOS Los cables de Acero con torones Compactados (Palex, Izaflex, Toroplex, Toropac, Barracuda, etc.), son un nuevo tipo de cable de acero para determinadas aplicaciones y de características diferentes a las tradicionales.
Los torones son compactados durante el proceso de torcido, obteniendo con ello una mayor área metálica y por lo tanto una mayor resistencia a la rotura, para un mismo diámetro nominal; una mayor superficie de contacto de los alambres exteriores con las poleas, tambores, etc. Dando una mayor resistencia a la abrasión, por lo tanto, menor desgaste de las poleas, tambores, etc.
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También ofrece una mayor resistencia al aplastamiento y disminuyendo de vibraciones internas, su alma puede ser de acero, acero plastificado o fibra.
SISAL/MANILA POLIPROPILENO ACEROVentajas:
Elástico, absorbe energía No afectado por agua ácidos o alcalinos
Resistencia al calor y compresiones, bueno en trabajos duros
Desventajas: No aguanta calor. Tampoco Agua, ácido, alcalino
No aguanta calor, ni frecuentes ciclos de operación sobre poleas
No es elástico
Aéreas de uso:
Ascensores, cables de Izaje en piques de Minas, Grúas Puente, Huinches Generales.
Cables de pesca y uso marino. Cables para Sondeo y limpieza Petrolera.
Cables de perforación petrolera, Grúas de fundición, Palas mecánicas y Cables forestales.
2.9 CATALOGO DE CABLES SEGÚN SU USO EN LA INDUSTRIA
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EN GRÚAS. 2.10 QUE ES UNA GRUA Es un aparato de elevación de funcionamiento discontinuo, destinado a elevar y distribuir las cargas mediante un gancho suspendido de un cable, desplazándose por un carro a lo largo de una pluma.
La grúa es orientable y su soporte giratorio se monta sobre la parte superior de una torre vertical, cuya parte inferior se une a la base de la grúa. La grúa torre suele ser de instalación temporal, y esta concebida para soportar frecuentes montajes y desmontajes, así como traslados entre distintos emplazamientos.
Se utiliza sobretodo en las obras de construcción.
Está constituida esencialmente por una torre metálica, con un brazo horizontal giratorio, y los motores de orientación, elevación y distribución o traslación de la carga.
A continuación se muestra las partes de la grúa tipo torre fig. 1
Fig.1 Partes de una grúa
La torre de la grúa puede empotrarse en el suelo, inmovilizada sin ruedas o bien desplazarse sobre vías rectas o curvas. Las operaciones de montaje deben ser realizadas por personal especializado. Asimismo las operaciones de mantenimiento y conservación se realizarán de acuerdo con las normas dadas por el fabricante.
La grúa se compone de tres partes cabeza con brazos, torre desmontable y base. La primera, cabeza con brazos, esta dimensionada de acuerdo a la influencia de las características de cargas y alcances. La segunda, torre desmontable, esta dimensionada principalmente por la influencia de la característica de altura. La tercera esta afectada por la influencia de las dos anteriores y tiene como misión principal la estabilidad tanto durante la carga como cuando no esta funcionando la grúa. Para este punto también habrá que tener en cuenta la posibilidad de movilidad de la grúa.
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2.11 PARTES DE UNA GRÚA TIPO TORRE. En este trabajo nos enfocaremos en la grúa del tipo torre explicando a continuación las partes más importantes en:
Mástil
Flecha
Contraflecha
Contrapeso
Lastre
Carro
Cable de elevación
Polipasto
Gancho
2.11.1 MÁSTIL Consiste en una estructura de celosía metálica de sección normalmente cuadrada, cuya principal misión es dotar a la grúa de altura suficiente. Normalmente esta formada por módulos de celosía que facilitan el transporte de la grúa. Para el montaje se unirán estos módulos, mediante tornillos, llegando todos unidos a la altura proyectada. Su forma y dimensión varía según las características necesarias de peso y altura. En la Fig. 2 puede apreciarse adecuadamente el mástil y la proporción de este.
En la parte superior del mástil se sitúa la zona giratoria que aporta a la grúa un movimiento de 360º horizontales. También según el modelo puede disponer de una cabina para su manejo por parte de un operario. Para el acceso de operarios dispondrá de una escala metálica fijada a la estructura.
Fig-2 Mástil de una grúa torre.
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EN GRÚAS. 2.11.2 FLECHA
Es una estructura de celosía metálica de sección normalmente triangular, cuya principal misión es dotar a la grúa del radio o alcance necesario. Su forma y dimensión varía según las características necesarias de peso y longitud. También se le suele llamar pluma la fig. 3 ilustra la flecha.
Al igual que el mástil suele tener una estructura modular para facilitar su transporte.
Para desplazarse el personal especializado durante los trabajos de montaje, revisión y mantenimiento a lo largo de la flecha dispondrá de un elemento longitudinal, cable fiador, al que se pueda sujetar el mosquetón del cinturón de seguridad.
Fig. 3 Flecha o pluma.
2.11.3 CONTRAFLECHA La longitud de la Contraflecha oscila entre el 30 y el 35 % de la longitud de la pluma. Al final de la contraflecha se colocan los contrapesos. Esta unido al mástil en la zona opuesta a la unión con la flecha. Está formada una base robusta formada por varios perfiles metálicos, formando encima de ellos una especie de pasarela para facilitar el paso del personal desde el mástil hasta los contrapesos. Las secciones de los perfiles dependerán de los contrapesos que se van a colocar como se representa en la Fig. 4.
Fig. 4. Imagen de la contra fleca y contrapesos montados.
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2.11.4 CONTRAPESO Son estructuras de hormigón prefabricado que se colocar para estabilizar el peso y la inercia que se produce en la flecha grúa. Deben estabilizar la grúa tanto en reposo como en funcionamiento.
Tanto estos bloques como los que forman el lastre deben de llevar identificado su peso de forma legible e indeleble.
2.11.5 LASTRE Puede estar formada por una zapata enterrada o bien por varias piezas de hormigón prefabricado en la base de la grúa como se aprecia en la Fig. 5. Su misión es estabilizar la grúa frente al peso propio, al peso que pueda trasladar y a las condiciones ambientales adversas (viento).
Fig. 5. Forma en que son instalados los lastres.
2.11.6 CARRO Consiste en un carro que se mueve a lo largo de la flecha a través de unos carriles. Este movimiento da la maniobrabilidad necesaria en la grúa. Es metálico de forma que soporte el peso a levantar.
2.11.7 CABLE DE ELEVACIÓN El cable de elevación es una de las partes más delicadas de la grúa y, para que dé un rendimiento adecuado, es preciso que sea usado y mantenido correctamente. En la Fig. 6 se puede apreciar adecuadamente. Debe estar perfectamente tensado y se hará un seguimiento periódico para que, durante su enrollamiento en el tambor no se entrecruce, ya que daría lugar a aplastamientos.
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Fig. 6 Carro y cable de elvacion de una grua torre.
2.11.8 POLIPASTO
Se llama polipasto a una máquina que se utiliza para levantar o mover una carga con una gran ventaja mecánica, porque se necesita aplicar una fuerza mucho menor al peso que hay que mover. Lleva dos o más poleas incorporadas para minimizar el esfuerzo como se muestra en la Fig. 1.
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Fig. 1 Esquema funcional de un polipasto
Estos mecanismos se utilizan mucho en los talleres o industrias que cargan elementos y materiales muy pesados para hacer más rápida y fácil la elevación y colocación de estas piezas en las diferentes maquinas-herramientas que hay en los talleres o almacenes, así como cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan.
Suelen estar sujetos a un brazo giratorio que hay acoplado a una máquina, o pueden ser móviles guiados por rieles colocados en los techos de las naves industriales.
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EN GRÚAS. Los polipastos tienen varios tamaños o potencia de elevación; los pequeños se manipulan a mano y los más grandes llevan incorporados un motor eléctrico, como es ilustrado en la Fig. 2.
Fig. 2. Polipasto de una grúa industrial.
2.11.9 GANCHO El gancho irá provisto de un dispositivo que permite la fácil entrada de cables de las eslingas y estrobos, y de forma automática los retenga impidiendo su salida si no se actúa manualmente. La Fig. 7 presenta la foto de un gancho reforzado y de uso sudo.
Fig. 7. Gancho de uso rudo.
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2.12 CLASIFICACIÓN DE LAS GUAS TORRE Esta clasificación esta basada en la instrucción técnica complementaria MIE-AEM-2. Dentro de los tipos aquí descritos puede hacerse nueva divisiones dependiendo de la capacidad de carga, la altura o la longitud de alcance de la flecha.
Grúa torre fija o estacionaria: Grúa torre cuya base no posee medios de translación o que poseyéndolos no son utilizables en el emplazamiento, o aquellas en que la base es una fundación o cualquier otro conjunto fijo.
Grúa torre desplazable en servicio: Es aquella cuya base está dotada de medios propios de traslación sobre carriles u otros medios y cuya altura máxima de montaje es tal que sin ningún medio de anclaje adicional sea estable tanto en servicio, como fuera de servicio, para las solicitaciones a las que vaya a estar sometida.
Grúa torre desmontable: Grúa torre, concebida para su utilización en las obras de construcción u otras aplicaciones, diseñada para soportar frecuentes montajes y desmontajes, así como traslados entre distintos emplazamientos.
Grúa torre autodesplegable: Grúa pluma orientable en la que la pluma se monta sobre la parte superior de una torre vertical orientable, donde su parte inferior se une a la base de la grúa a través de un soporte giratorio y que está provista de los accesorios necesarios para permitir un rápido plegado y desplegado de la torre y pluma ilustrada en la fig. 8.
Fig. 8 Grua autodesplegable
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Grúa torre autodesplegable monobloc: Grúa torre autodesplegable cuya torre está constituida por un solo bloque y que no requiere elementos estructurales adicionales para su instalación, que puede ir provista de ruedas para facilitar su desplazamiento.
Grúa torre trepadora: Grúa torre instalada sobre la estructura de una obra en curso de construcción y que se desplaza de abajo hacia arriba por sus propios medios al ritmo y medida que la construcción progresa la Fig. 9 presenta el modo en que este tupo de grúa se encuentra anclada ala construcción.
fig. 9 Grúa trepadora.
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EN GRÚAS. 2.13 INDICADORES DE CARGA Y ALCANCES Se fijará sobre la grúa una placa en lugar visible, de forma, tamaño y material adecuado que especifique: alcance, carga máxima y distancia. (Fig. 10)
Esto es necesario, ya que esta placa indicadora vendrá dada en función de la curva de la Fig. 2, donde por ejemplo si se lleva una carga de 4.000 kg desde el mástil hacia la punta, en el momento en que pase el carro los 9 metros actuará el limitador de par máximo.
Fig. 10: Diagrama de cargas y alcances
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CAPITULO 3
INGENIERÍA BÁSICA
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CAPITULO 3 3. INGENIERÍA BÁSICA. 3.1 HISTORIA DE LA INGENIERIA Antes de que la ingeniería mecánica se definiera como tal los físicos (que, a su vez, aplican conocimientos matemáticos) usaban teorías para resolver problemas, lo que llevo a la construcción de maquinas relativa mentes simples. Tiempo después la, la industria observo la gran utilidad de las maquinas al ahorrar tiempo espacio y recursos, por lo que empezó ha haber una fuerte demanda por nuevas maquinas (la revolución industrial fue consecuencia de la introducción de maquinaria en el taller con lo que se convirtió en industria). Esto tuvo como consecuencia que hubiera una especialización, creando la especialización de la ingeniería mecánica. Se requería de nuevos dispositivos con funcionamientos complejos en sus movimientos o que soportaran grandes cantidades de fuerza, por lo que fue necesario que esta nueva disciplina tenían que estudiar el movimiento y el equilibrio. También fue necesario encontrar una nueva manera de hacer funcionar las maquinas, ya que en un principio usaba fuerza humana o fuerza animal. El uso de maquinas que funcionen con energía proveniente de vapor, del carbón, de la gasolina, y de la electricidad trajo grandes avances. 3.2 LA INGENIERÍA CLÁSICA A lo largo de la historia el hombre ha dedicado gran parte de su esfuerzo a crear dispositivos que le permitan convertir los recursos naturales en formas mas útiles, así al inventar el arado pudo hacer que el suelo le proporcionara alimentos; mediante el hacha pudo transformar la madera de los arboles en formas útiles, el molino de viento le permitió aprovechar la energía del aire en trabajo útil: mediante la maquina de vapor pudo trasformar la energía latente de los combustibles en trabajo mecánico; el molino para convertir el trigo en harina, estos ejemplos, y miles de aditamentos, maquinas y estructuras, es el resultado de la búsqueda del hombre para aprovechar mejor sus recursos disponibles. Desde los primeros tiempos, cuando empezaron a surgir las especializaciones en le trabajo, simultáneamente con los sacerdotes, médicos y maestros surgió loa especialidad de los hombres dedicados a crear dispositivos que la sociedad proveía como necesarias; estos pioneros de la ingeniería tuvieron bajo su responsabilidad, fortalezas, caminos, puentes, canales, instrumentos, maquinas y otras invenciones. Sus trabajos son especial mete manifiestos en tiempos de los imperios Egipcios y Romanos, pudieron aun apreciarse lo grandioso de sus creaciones. Estos ingenieros fueron los predecesores del ingenio de los tiempos modernos, pudiendo decirse que, quizás la diferencia mas significativa entre el ingeniero clásico y el moderno es
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el conjunto de conocimientos en que se basaron sus creaciones pues mientras que los primeros diseñaban los puentes, maquinas y los demás trabajos que desempeñaba vasado en las experiencias acumuladas por otros, en la propia, en le sentido común, la experimentación y la inventiva, motivo por el cual en muchos casos, sabia que hacer pero no entendía la teoría en que se basaban sus decisiones, el ingeniero moderno basa todas sus decisiones en le conocimiento de las leyes de la naturaleza. Durante muchos años la ingeniería permaneció en la etapa que hemos designado clásica, acumulando conocimientos con los cuales poder resolver sus problemas, principal mente por medio de la experiencia. En la época del renacimiento empezaron a surgir problemas mas complicados, sin que ello cambiara los métodos tradicionales para resolverlos, pues aun en el siglo XVII época en se invento la maquina de vapor, muy escaso el acerbo científico en que se basaban los diseñadores de las maquinas y estructuras que entonces requería la sociedad. Si hacemos una consideración de la evolución de las maquinas de vapor, podemos tener una idea clara del estado de la ingeniería ese periodo. La maquina de vapor fue patentada por James Watt sin embargo, lo que patento fue una serie de perfeccionamientos a la maquina anterior mente ideada por Thomas Savery, en el año de 1700. De hecho, los predecesores de la maquina de Savery pueden encontrarse a lo largo del siglo anterior. La maquina de Savery fue modificada por varios diseñadores, principal mente por Thomas Newcomen, antes de que Watt hiciera una mejora real mente importante, la que aumento significativa mente la eficiencia de la maquina de vapor y, finalmente condujo a una gran multiplicidad de aplicaciones. Puesto que en estos tiempos no se conocía absolutamente nada de las relaciones cuantitativas entre temperatura y presión, de la teoría del intercambio de calor y estudios semejantes, la evolución de la maquina de Watt, durante todo este periodo estovo marcada por una serie de invasiones acumulativas adoptadas por hombres que conocían muy poco acerca de los principios científicos en que basan sus innovaciones. 3.3 LA INGENIERÍA EN LOS TIEMPOS MODERNOS Debido a la situación prevalente asta tiempos relativa mente recientes, en la que se desconocía la naturaleza básica y el comportamiento del mundo físico, el ingeniero clásico esta severa mente limitado en el ejercicio de sus actividades, tendientes a mejorar la utilización de los recursos disponibles del hombre. El panorama actual es completa mente diferente, pues en los dos siglos el conocimiento científico ha brotado en una acumulación inmensa de información; pudiendo decirse que el conocimiento del hombre, acerca de la estructura de la materia, fenómenos electro magnéticos, los elementos y sus relaciones, las leyes del movimiento, los procesos para transferir energía, y muchos otros aspectos del mundo científico, ha mejorado considerable mene. Gran parte del programa de estudios de física en escuelas preparatorias, que incluyen una mínima parte de los conocimientos actuales de la física, era completamente desconocida en los tiempos que Watt invento la maquina de vapor.
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Durante el siglo XIX, los ingenieros se percataron del potencial que ofrecía este acervo creciente de conocimiento científico para la solución de problemas que entonces se tenia entre manos, por lo que presurosa mente empezaron a sacar partido de ello. Como consecuencia de este perfeccionamiento el conocimiento humano acerca del mundo físico, se apreciaron cambios notables en el campo que ocupa nuestro estudio. Aun cuando en nuestros tiempos la ingeniería se enfrenta a problemas muy similares a los ocurridos en el pasado, la aplicación de la ciencia ha llegado hacer una característica sobre saliente del ingeniero moderno. Sin embargo conviene insistir en que, si bien la ciencia ha suplantado en cierto grado a la inventiva, las síntesis de eruditos, y al conocimiento empírico; esto sigue siendo básico en la solución de problemas ingenieriles.
3.4 INGENIERÍA MECÁNICA
La ingeniería mecánica es un campo muy amplio de la ingeniería que implica el uso de los principios físicos para el análisis, diseño, fabricación y mantenimiento de sistemas mecánicos. Tradicionalmente, ha sido la rama de la Ingeniería que mediante la aplicación de los principios físicos ha permitido la creación de dispositivos útiles, como utensilios y máquinas. Los ingenieros mecánicos usan principios como el calor, la fuerza y la conservación de la masa y la energía para analizar sistemas físicos estáticos y dinámicos, contribuyendo a diseñar objetos como automóviles, aviones y otros vehículos.
También los sistemas de enfriamiento y calentamiento, equipos industriales y maquinaria de guerra pertenecen a esta rama de la ingeniería. La Ingeniería Mecánica es la rama de las máquinas, equipos e instalaciones teniendo siempre en mente aspectos ecológicos y económicos para el beneficio de la sociedad.
Para cumplir con su labor, la ingeniería mecánica analiza las necesidades, formula y soluciona problemas técnicos mediante un trabajo interdisciplinario, y se apoya en los desarrollos científicos, traduciéndolos en elementos, máquinas, equipos e instalaciones que presten un servicio adecuado, mediante el uso racional y eficiente de los recursos disponibles. Ingeniería que se dedica al Diseño, Construcción, Negociación y Mantenimiento de elementos Se requería de nuevos dispositivos con funcionamientos complejos en su movimiento o que soportaran grandes cantidades de fuerza, por lo que fue necesario que esta nueva disciplina estudiara el movimiento y el equilibrio. También fue necesario encontrar una nueva manera de hacer funcionar las máquinas, ya que en un principio utilizaban fuerza humana o fuerza animal. El uso de máquinas que funcionan con energía proveniente del vapor, del carbón, de la gasolina y de la electricidad trajo grandes avances.
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3.5 RESISTENCIA DE MATERIALES
La resistencia de materiales clásica es una disciplina de la ingeniería mecánica y la ingeniería estructural que estudia los sólidos deformables mediante modelos simplificados.
La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.
Un modelo de resistencia de materiales establece una relación entre las fuerzas aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas. Típicamente las simplificaciones geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de calcular.
Para el diseño mecánico de elementos con geometrías complicadas la resistencia de materiales suele ser insuficiente y es necesario usar técnicas basadas en la teoría de la elasticidad o la mecánica de sólidos deformables más generales. Esos problemas planteados en términos de tensiones y deformaciones pueden entonces ser resueltos de forma muy aproximada con métodos numéricos como el análisis por elementos finitos.
3.5.1 ESFUERZO
Los esfuerzos internos sobre una monda, son una sección plana se definen como un conjunto de fuerzas y momentos estáticamente equivalentes a la distribución de tensiones internas sobre el área de esa sección. Así, por ejemplo, los esfuerzos sobre una sección transversal plana Σ de una viga son igual a la integral de las tensiones t sobre esa área plana. Normalmente se distingue entre los esfuerzos perpendiculares a la sección de la viga (o espesor de la placa o lámina) y los tangentes a la sección de la viga (o superficie de la placa o lámina):
• Esfuerzo normal (normal o perpendicular al plano considerado), es el que viene dado por la resultante de tensiones normales σ, es decir, perpendiculares, al área para la cual pretendemos determinar el esfuerzo normal.
• Esfuerzo cortante (tangencial al plano considerado), es el que viene dado por la resultante de tensiones cortantes τ, es decir, tangenciales, al área para la cual pretendemos determinar el esfuerzo cortante.
Para poder explicar mejor el concepto de esfuerzo es necesario tomar un elemento diferencial de un cuerpo. Debido a que las fuerzas internas pueden presentarse en las tres
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EN GRÚAS. direcciones posibles (x,y,z), el elemento diferencial será un elemento diferencial volumétrico.
Cada una de las caras tiene un diferencial de área, las fuerzas que son normales a esa cara generan un esfuerzo normal
Y las fuerzas que son tangentes al elemento diferencial generan esfuerzos cortantes
.
3.5.2 ESFUERZOS EN VIGAS Y PILARES
Para un prisma mecánico o elemento unidimensional los esfuerzos se designan como:
• Esfuerzo normal (Nx) • Esfuerzo cortante total (V, T o Q)
o Esfuerzo cortante según Y (Vy) o Esfuerzo cortante según Z (Vz)
En un abuso de lenguaje es común también que se hable de esfuerzos para hablar de:
• Momento torsor (Mx)
• Momento flector
o Momento flector según Z (Mz) o Momento flector según Y (My) o
• Bimomento (Bω)
Cada uno de estos esfuerzos van asociados a cierto tipo de tensión:
• tensión normal, el esfuerzo normal (tracción o compresión) implica la existencia de tensiones normales σ, pero estas tensiones normales también pueden estar
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producidas por un momento flector, de acuerdo con la ley de Navier. Los bimomentos también provocan tensiones normales por efecto del alabeo seccional.
• tensión tangencial, por otro lado los esfuerzos cortantes y el momento torsor implican la existencia de tensiones tangenciales τ.
3.5.3 TENSIÓN MECÁNICA
En física e ingeniería, se denomina tensión mecánica al valor de la distribución de fuerzas por unidad de área en el entorno de un punto material dentro de un cuerpo material o medio continuo.
Un caso particular es el de tensión uniaxial, que se define en una situación en que se aplica fuerza F uniformemente distribuida sobre un área A. En ese caso la tensión mecánica uniaxial se representa por un escalar designado con la letra griega σ (sigma) y viene dada por:
Siendo las unidades [Pa] (pascal = [N/m²]), [MPa] = 106 [Pa] (y también [kp/cm²]).
La situación anterior puede extenderse a situaciones más complicadas con fuerzas no distribuidas uniformemente en el interior de un cuerpo de geometría más o menos compleja. En ese caso la tensión mecánica no puede ser representada por un escalar.
Si se considera un cuerpo sometido a tensión y se imagina un corte mediante un plano imaginario π que lo divida en dos, sobre cada punto del plano de corte se puede definir un vector tensión tπ que depende del estado tensional interno del cuerpo, de las coordenadas del punto escogido y del vector unitrio normal nπ al plano π. En ese caso se puede probar que tπ y nπ están relacionados por una aplicación lineal T o campo tensorial llamado tensor tención.
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EN GRÚAS. 3.5.4 TENSIÓN CORTANTE
La tensión cortante o tensión de corte es aquella que, fijado un plano, actúa tangente al mismo. Se suele denotar por la letra griega tau (Fig. 1). En piezas prismáticas las tensiones cortantes aparece en caso de aplicación de un esfuerzo cortante o bien de un momento torsor.
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Fig. 1. Esquema del esfuerzo cortante.
En piezas alargadas como vigas y pilares el plano de referencia suele ser un paralelo a la sección transversal (i.e. uno perpendicular al eje longitudinal). A diferencia del esfuerzo normal, es más difícil de apreciar en las vigas ya que su efecto es menos evidente.
Tensión cortante promedio
Fig. 2. Esfuerzo cortante sobre tornillos
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Un problema que se presenta en su cálculo se debe a que las tensiones no se distribuyen uniformemente sobre un área, si se quiere obtener la tensión media es usada la fórmula:
Donde: V (letra usada habitualmente para designar esta fuerza) representa la fuerza cortante y A representa el área de la sección sobre la cual se está aplicando. En este caso, el esfuerzo cortante como su nombre lo dice corta a una pieza, en esta imagen (Fig. 2.) el tornillo y el perno presentan esfuerzo cortante al ser cortados por las piezas que unen (línea verde).
3.6 DEFORMACIÓN
La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a la aplicación de una o más fuerzas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica.
3.6.1 DEFORMACIONES ELÁSTICA Y PLÁSTICA
Tanto para la deformación unitaria como para el tensor deformación se puede descomponer el valor de la deformación en:
• Deformación (visco) plástica o irreversible. Modo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica. La deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible.
• Deformación elástica o reversible el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En este tipo de deformación, el sólido, al variar su estado tensional y aumentar su energía interna en forma de energía potencial elástica, solo pasa por cambios termodinámicos reversibles.
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EN GRÚAS. Comúnmente se entiende por materiales elásticos, aquellos que sufren grandes elongaciones cuando se les aplica una fuerza, como la goma elástica que puede estirarse sin dificultad recuperando su longitud original una vez que desaparece la carga.
Este comportamiento, sin embargo, no es exclusivo de estos materiales, de modo que los metales y aleaciones de aplicación técnica, piedras, hormigones y maderas empleados en construcción y, en general, cualquier material, presenta este comportamiento hasta un cierto valor de la fuerza aplicada; si bien en los casos apuntados las deformaciones son pequeñas, al retirar la carga desaparecen.
Al valor máximo de la fuerza aplicada sobre un objeto para que su deformación sea elástica se le denomina límite elástico y es de gran importancia en el diseño mecánico, ya que en la mayoría de aplicaciones es éste y no el de la rotura, el que se adopta como variable de diseño (particularmente en mecanismos). Una vez superado el límite elástico aparecen deformaciones plásticas (remanentes tras retirar la carga) comprometiendo la funcionalidad de ciertos elementos mecánicos.
La magnitud más simple para medir la deformación es lo que en ingeniería se llama deformación axial o deformación unitaria se define como el cambio de longitud por unidad de longitud:
3.7 LEY DE ELASTICIDAD DE HOOKE
En física, la ley de elasticidad de Hooke o ley de Hooke, originalmente formulada para casos de estiramiento longitudinal, establece que el alargamiento unitario ε de un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F:
Donde δ: alargamiento longitudinal, L: Longitud original, E: módulo de Young o módulo de elasticidad, A: sección transversal de la pieza estirada. La ley se aplica a materiales elásticos hasta un límite denominado límite de elasticidad.
Esta ley recibe su nombre de Robert Hooke, físico británico contemporáneo de Isaac Newton. Ante el temor de que alguien se apoderara de su descubrimiento, Hooke lo publicó en forma de un famoso anagrama, ceiiinosssttuv, revelando su contenido un par de años más tarde. El anagrama significa Ut tensio sic vis ("como la extensión, así la fuerza").
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3.8 RELACION ESFUERZO-DEFORMACION DEL ACERO
Se denomina prueba de tensión al ensayo que permite conocer las características de un material cuando se somete a esfuerzos de tracción. El objetivo es determinar la resistencia a la rotura y las principales propiedades mecánicas del material que es posible apreciar en el diagrama carga-deformación:
• Límite elástico • Punto de fluencia • Límite de fluencia • Resistencia a la fatiga • Punto de fractura
Los datos obtenidos en el ensayo deben ser suficientes para determinar esas propiedades, y otras que se pueden determinar con base en ellas. Por ejemplo, la ductilidad se puede obtener a partir del alargamiento y de la reducción de área.
Los siguientes conceptos básicos en ensayos de tracción:
Alargamiento
Es el aumento en la longitud calibrada en una probeta después de la prueba de tensión que comúnmente se expresa en porcentaje de la longitud calibrada inicial.
Límite de fluencia
Es el primer esfuerzo detectable, en el que ocurre un aumento notorio en la deformación, sin que se acuse un aumento en el esfuerzo aplicado al SENO. Está después del límite elástico de lo malo.
Longitud calibrada
Es la longitud inicial de la parte de una probeta sobre la que se determina la deformación unitaria o el cambio de longitud y el alargamiento. Esto se mide con un extensómetro.
Reducción de área
Es la diferencia entre la sección transversal inicial de una probeta de tensión y el área de su sección transversal mínima después de la prueba.
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EN GRÚAS. 3.8.1 LÍMITE ELÁSTICO
El límite elástico, también denominado límite de elasticidad, es la tensión máxima que un material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el material experimenta deformaciones permanentes y no recupera su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a tensiones inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley de Hooke.
Los materiales sometidos a tensiones superiores a su límite de elasticidad tienen un comportamiento plástico. Si las tensiones ejercidas continúan aumentando el material alcanza su punto de fractura. El límite elástico marca, por tanto, el paso del campo elástico a la zona de fluencia. Más formalmente, esto comporta que en una situación de tensión uniaxial, el límite elástico es la tensión admisible a partir de la cual se entra en la superficie de fluencia del material.
El límite elástico se determina
Si se disponen las tensiones en función de las deformaciones en un gráfico se observa que, en un principio y para la mayoría de los materiales (los elastómeros no lo cumplen, por ejemplo), aparece una zona que sigue una distribución casi lineal, donde la pendiente es el módulo de elasticidad E. Esta zona se corresponde a las deformaciones elásticas del material hasta un punto donde la función cambia de régimen y empieza a curvarse, zona que se corresponde al inicio del régimen plástico. Ese punto es el punto de límite elástico.
Debido a la dificultad para localizarlo exactamente y con total fidelidad, ya que en los gráficos experimentales la recta es difícil de determinar y existe una banda donde podría situarse el límite elástico (detalle Fig. 1) , en ingeniería se adopta un criterio convencional y se considera como límite elástico la tensión a la cual el material tiene una deformación plástica del 0.2% (o también ε = 0.002)
Fig.1 Grafica limite elástico.
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3.8.2 RESISTENCIA A LA FLUENCIA
La resistencia a la fluencia del acero estructural puede determinarse durante la prueba de tensión, observando el indicador de carga. Después de aumentar continuamente la carga, se observa que cae súbitamente a un valor ligeramente inferior que se mantiene por algún tiempo mientras la probeta sigue alargándose. En un ensayo bien efectuado uno puede distinguir entre el punto de fluencia que corresponde a la carga alcanzada, justo antes de que empiece la fluencia, y el punto de fluencia más bajo que corresponde a la carga requerida para mantener la fluencia. Como el punto de fluencia superior es transitorio, debe usarse el punto de fluencia inferior para determinar la resistencia a la fluencia del matemáticamente sabiamente rarosisionioneza.
3.8.3 LÍMITE DE FLUENCIA
El límite de fluencia es la zona máxima en la cual el módulo de Young es constante. También es la zona límite a partir de la cual el material se deforma plásticamente. En la fig. 2 es graficado el límite de fluencia en un material.
También denominado límite elástico aparente, indica la tensión que soporta una probeta del ensayo de tracción en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia.
Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.
Fig.2 Grafica de Límite de fluencia.
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3.9 FATIGA DE MATERIALES
En ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, aviones, etc.). Puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática. Es muy importante ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también ocurre en polímeros y cerámicas.
La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aun en metales dúctiles, puesto que no hay apenas deformación plástica asociada a la rotura. El proceso consiste en un inicio, y posterior propagación, de fisuras. La superficie de fractura es perpendicular a la dirección del esfuerzo. Aunque es conocido desde antiguo, este comportamiento no fue de interés para los ingenieros hasta mediados del siglo XIX, momento en el cual comenzaron a producirse roturas en los ejes de las ruedas de los trenes que pugnaban, por aquel entonces, por imponerse como medio de locomoción al amparo de la incipiente revolución industrial.
3.9.1 TEORÍAS SOBRE LA FATIGA
Para explicar el fenómeno se propusieron teorías que justificaban la pérdida de resistencia mecánica en la alteración de la estructura interna del acero por campos magnéticos o por el propio giro del eje. Por absurdas que puedan parecer estas teorías, hay que tener en cuenta que por entonces los conocimientos relativos a la estructura interna de los materiales eran muy limitados, aunque se sabía que el proceso de fabricación condicionaba la textura del material confiriéndole unas determinadas propiedades.
No es extraño entonces que se razonara que la rotura inesperada se produjera por la transformación de la estructura «fibrosa» del acero en una estructura «cristalina», sin que los mismos que defendían estas teorías supieran muy bien a qué se referían.
Hacia 1845, Rankine demostró que la reducción de las concentraciones de tensiones alargaba la vida del eje. Posteriormente, hacia 1860, Wöhler desarrolló diversas máquinas de ensayo para el estudio sistemático del fenómeno, una de las cuales, la probeta rotatoria, inspira los actuales ensayos de fatiga de materiales férricos.
Wöhler extrajo dos conclusiones de aquellos ensayos: la primera, que las fuerzas necesarias para provocar la rotura con cargas dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático, y la segunda, que existe un umbral por debajo del cual las probetas no se rompían (límite de fatiga).
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EN GRÚAS. Ya en el siglo XX, Humfrey y Ewing observaron que, bajo cargas dinámicas, aparecían deformaciones por deslizamiento similares a las obtenidas en el caso estático, de modo que el progreso de dichas líneas era el que conducía a la rotura. Posteriormente, Hanson y Gough introdujeron la hipótesis del endurecimiento por deformación (acritud) para explicar la existencia del límite de fatiga, de modo que con cargas pequeñas el endurecimiento llegaba a compensar y detener el avance del deslizamiento.
Actualmente, aunque se acepta la teoría del endurecimiento/deslizamiento, no existe una formulación cuantitativa que permita realizar un cálculo fiable. No obstante, la multitud de datos disponibles, especialmente para materiales férricos y otros materiales metálicos, ha permitido desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.
3.9.2 TENSIONES CÍCLICAS
La tensión puede ser axial (tensión y compresión), de flexión o torsional. En general, son posibles tres modos distintos de tensión fluctuante en el tiempo:
1. Representado esquemáticamente por una onda senoidal del tiempo, en la que la amplitud es simétrica y varía de un valor máximo a un mínimo igual a la tensión aplicada. Se denomina ciclo de carga invertida.
2. Denominado ciclo de carga repetida, los máximos y mínimos son asimétricos con respecto al nivel cero de carga.
3. Aleatorio: el nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia.
La amplitud de la tensión varía alrededor de un valor medio, el promedio de las tensiones máxima y mínima en cada ciclo:
El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensión máxima y mínima
La amplitud de tensión es la mitad del intervalo de tensiones
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El cociente de tensiones R es el cociente entre las amplitudes mínima y máxima
Por convención, los esfuerzos a tracción son positivos y los de compresión son negativos. Para el caso de un ciclo con inversión completa de carga, el valor de R es igual a -1.
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3.9.3 CURVA S-N
Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes.
Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S, frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas. Los valores de S se toman normalmente como amplitudes de la tensión .
Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensión, menor número de ciclos hasta rotura. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe una tensión límite, denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá. Detalle de comportamiento en Fig. 1
Fig. 1. Curva S-N representativa.
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Muchas de las aleaciones no férreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen un límite de fatiga, dado que la curva S-N continúa decreciendo al aumentar N. Por consiguiente, la rotura por fatiga ocurrirá independientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada. Para estos materiales, la respuesta a fatiga se especifica mediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensión que produce la rotura después de un determinado número de ciclos. Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a fatiga de un material es la vida a fatiga Nf. Es el número de ciclos para producir una rotura a un nivel especificado de tensiones.
Desafortunadamente, existe una diferencia notable entre la teoría y la realidad. Esto conduce a incertidumbres significativas en el diseño cuando la vida a fatiga o el límite de fatiga son considerados. La dispersión en los resultados es una consecuencia de la sensibilidad de la fatiga a varios parámetros del ensayo y del material que son imposibles de controlar de forma precisa. Estos parámetros incluyen la fabricación de las probetas y la preparación de las superficies, variables metalúrgicas, alineamiento de la probeta en el equipo de ensayos, tensión media y frecuencia del ensayo.
Aproximadamente la mitad de las probetas ensayadas se rompen a niveles de tensión que están cerca del 25% por debajo de la curva.
Se han desarrollado técnicas estadísticas y se han utilizado para manejar este fallo en términos de probabilidades. Una manera adecuada de presentar los resultados tratados de esta manera es con una serie de curvas de probabilidad constante.
Fatiga de bajo número de ciclos (oligofatiga) < 104 − 105 ciclos.
Fatiga de alto número de ciclos > 104 − 105 ciclos.
3.10 ROTURA
Al mismo tiempo que la grieta aumenta en anchura, el extremo avanza por continua deformación por cizalladura hasta que alcanza una configuración enromada. Se alcanza una dimensión crítica de la grieta y se produce la rotura.
La región de una superficie de fractura que se formó durante la etapa II de propagación puede caracterizarse por dos tipos de marcas, denominadas marcas de playa y estrías. Ambas indican la posición del extremo de la grieta en diferentes instantes y tienen el aspecto de crestas concéntricas que se expanden desde los puntos de iniciación. Las marcas de playa son macroscópicas y pueden verse a simple vista.
Las marcas de playa y estrías no aparecen en roturas rápidas.
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3.10.1 FACTORES QUE INTERVIENEN
Son diversos los factores que intervienen en un proceso de rotura por fatiga a parte de las tensiones aplicadas. Así pues, el diseño, tratamiento superficial y endurecimiento superficial pueden tener una importancia relativa.
• Diseño
El diseño tiene una influencia grande en la rotura de fatiga. Cualquier discontinuidad geométrica actúa como concentradora de tensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más aguda es la discontinuidad, más severa es la concentración de tensiones.
La probabilidad de rotura por fatiga puede ser reducida evitando estas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con radios de curvatura grandes.
• Tratamientos superficiales
En las operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y surcos en la superficie de la pieza por acción del corte. Estas marcas limitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son mucho más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta la vida a fatiga.
Uno de los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento es mediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capa delgada superficial. Cualquier tensión externa de tracción es parcialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuerzo residual de compresión. El efecto neto es que la probabilidad de nucleación de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce.
Este proceso se llama «granallado» o «perdigonado». Partículas pequeñas y duras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar. Esta deformación induce tensiones residuales de compresión.
• Endurecimiento superficial
Es una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabo mediante procesos de carburación y nitruración, en los cuales un componente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono en nitrógeno es introducida por difusión atómica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm de profundidad y es más dura que el material del núcleo. La mejora en las propiedades de fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, así como de las tensiones residuales de compresión que se originan en el proceso de cementación y nitruración.
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EN GRÚAS. 3.11 INFLUENCIA DEL MEDIO
El medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales. Hay dos tipos de fatiga por el medio: fatiga térmica y fatiga con corrosión.
3.11.1 FATIGA TÉRMICA
La fatiga térmica se induce normalmente a temperaturas elevadas debido a tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que estén presentes tensiones mecánicas de origen externo. La causa de estas tensiones térmicas es la restricción a la dilatación y o contracción que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones de temperatura. La magnitud de la tensión térmica resultante debido a un cambio de temperatura depende del coeficiente de dilatación térmica y del módulo de elasticidad. Se rige por la siguiente expresión:
Dónde:
• Tensión térmica • Coeficiente de dilatación térmica • Modulo de elasticidad • Incremento de temperatura
3.11.2 FATIGA CON CORROSIÓN
La fatiga con corrosión ocurre por acción de una tensión cíclica y ataque químico simultáneo. Lógicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa y reducen la vida a fatiga, incluso la atmósfera normal afecta a algunos materiales. A consecuencia pueden producirse pequeñas fisuras o picaduras que se comportarán como concentradoras de tensiones originando grietas. La de propagación también aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo también corroerá el interior de la grieta produciendo nuevos concentradores de tensión.
3.12 ENSAYO DE TRACCIÓN
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en una ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε=10-4 a 10-2 s-1).
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EN GRÚAS. En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos:
• Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad anterior.
• Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza.
• Límite de proporcionalidad valor de la tensión por debajo de la cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada.
• Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tensión que soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.
• Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la tensión ha la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en función del extensómetro empleado.
• Carga de rotura o resistencia a la tracción: carga máxima resistida por la probeta dividida por la sección inicial de la probeta.
• Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en tanto por ciento.
• Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de la rotura.
Las siguientes figuras presentan el antes y el después de un ensayo de tracción. Fig. A y B.
Fig. A. Probeta de cobre antes del ensayo de tensión.
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Fig. B. Probeta de cobre fractura en el ensayo de tensión.
Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya que carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de Young, ya que éste es característico del material; así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes.
3.13 CURVA TENSIÓN-DEFORMACIÓN
En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas detalladas en la Fig. 1.
Fig. 1. Diagrama de tensión - deformación de un acero.
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1. Deformaciones elásticas: en esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del material. Así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno. Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de la tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este último valor carece de interés práctico y se define entonces un límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación inicial igual a la convencional.
2. Fluencia o cedencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de Luders). No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara.
3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas que en la zona elástica.
4. Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por ese zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura.
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3.14 MÓDULO DE ELASTICIDAD
El módulo de elasticidad o módulo de Jauji es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza.
Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Jauji tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud, no disminuye. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico inglés Thomas Young.
Tanto el módulo de Young como el límite elástico son distintos para los diversos materiales. El módulo de elasticidad es una constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede encontrarse empíricamente con base al ensayo de tracción del material y obteniendo el diagrama de tención como el ilustrado en la Fig. 1.
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Fig. 1. Diagrama tensión - deformación: el módulo de elasticidad es la tangente en cada
punto. Para materiales como el acero resulta aproximadamente constante dentro del límite elástico.
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EN GRÚAS. 3.15 CÍRCULO DE MOHR
El círculo de Mohr es una técnica usada en ingeniería para representar gráficamente un tensor simétrico (de 2x2 o de 3x3) y calcular con ella momentos de inercia, deformaciones y tensiones, adaptando los mismos a las características de un círculo (radio, centro, etc.). También es posible el cálculo del esfuerzo cortante máximo absoluto y la deformación máxima absoluta.
Este método fue desarrollado hacia 1882 por el ingeniero civil alemán Christian Otto Mohr (1835-1918). A continuación es ilustrado con cada una de los puntos para su cálculo en la Fig. 1.
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Fig. 1 Círculo de Mohr para esfuerzos.
En dos dimensiones el círculo de Mohr permite determinar la tensión máxima y mínima, a partir de dos mediciones de la tensión normal y tangencial sobre dos ángulos que forman 90º:
NOTA: El eje vertical se encuentra invertido, por lo que esfuerzos positivos van hacia abajo y esfuerzos negativos se ubican en la parte superior.
Usando ejes rectangulares, donde el eje horizontal representa la tensión normal y el eje vertical representa la tensión cortante o tangencial para cada uno de los planos anteriores. Los valores del círculo quedan representados de la siguiente manera:
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• Centro del círculo de Mohr:
• Radio del círculo de Mohr:
Las tensiones máximas y mínimas vienen dados en términos de esas magnitudes simplemente por:
Estos valores se pueden obtener también calculando los valores propios del tensor tensión que en este caso viene dado por:
Todos los elementos de distintos materiales a nivel molecular fallan a cortante. Sí graficamos para cada valor de esfuerzo alcanzando
Su deformación unitaria real
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3.16 TIPOS DE CARGAS
Una de las tareas más importantes del proyectista es determinar de la manera más precisa posible el valor de las cargas que soportará la estructura durante su vida útil, así como su posición y también determinar las combinaciones más desfavorables que de acuerdo a los reglamentos pueda presentarse.
• Cargas muertas • Cargas vivas • Cargas accidentales
3.16.1 CARGAS MUERTAS
Son aquellas cuya magnitud y posición, permanecen prácticamente constantes durante la vida útil de la estructura presentando ligeros cambios atreves del tiempo en la Fig. 1. Ilustrado las variaciones de carga atreves del tiempo.
• Peso propio. • Instalaciones. • Empujes de rellenos definitivos.
Fig.1. Cargas debidas a deformaciones permanentes.
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3.16.2 CARGAS VIVAS
Son cargas variables en magnitud y posición debidas al funcionamiento propio de la estructura estas son consideradas como cargas ajenas a la edificación y solo son seleccionadas mediante factores de seguridad para el cálculo.
• Personal. • Mobiliario. • Empujes de cargas de almacenes.
Estas cargas se especifican como uniformemente repartidas por unidad de área en el ANSI y otros códigos como el RCDF-87 título 6.
Cargas vivas máximas para diseño por carga gravitacional (combinación común).
Cargas vivas medias para diseño por estado límite de servicio.
Cargas vivas instantáneas para diseño por combinación accidental.
Para su interpretación en una graficas las cargas vivas graficadas por periodos de tiempo como lo muestra la Fig. 2
Fig. 2. La vida útil de una estructura es de aproximadamente 50 años.
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Cargas vivas de impacto (de acuerdo al IMCA) Instituto Mexicano de la Construcción en Acero.
Incremento de carga
Soportes de elevadores 100 %
Soportes de maquinaria ligera impulsada por motores eléctricos 20 %
Soportes de maquinaria con movimiento alternativo o impulsada con motores de combustión
50 %
Tirantes que soporten pisos y balcones 33 % 3.16.3 CARGAS ACCIDENTALES
VIENTO: Estas cargas dependen de la ubicación de la estructura, de su altura, del área expuesta y de la posición. Las cargas de viento se manifiestan como presiones y succiones. En las NTC-Viento del RCDF-87 se especifica el cálculo de estas presiones de acuerdo a las características de la estructura.
En general ni se especifican normas de diseño para el efecto de huracanes o tornados, debido a que se considera incosteable el diseño contra estos efectos; sin embargo, se sabe que el detallado cuidadoso del refuerzo, y la unión de refuerzos en los sistemas de piso con muros mejora notablemente su comportamiento.
SISMO: Estas cargas inducidas en las estructuras están en relación a su masa y elevación a partir del suelo; así como de las aceleraciones del terreno y de la capacidad de la estructura para disipar energía; estas cargas se pueden determinar como fuerzas estáticas horizontales aplicadas a las masas de la estructura, aunque en ocasiones debido a la altura de los edificios o esbeltez se hace necesario un análisis dinámico para determinar las fuerzas máximas a que estará sometida la estructura.
3.17 VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Alta resistencia: la alta resistencia del acero por unidad de peso, permite estructuras relativamente livianas, lo cual es de gran importancia en la construcción de puentes, edificios altos y estructuras cimentadas en suelos blandos.
Homogeneidad: las propiedades del acero no se alteran con el tiempo, ni varían con la localización en los elementos estructurales.
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Elasticidad: el acero es el material que más se acerca a un comportamiento linealmente elástico (Ley de Hooke) hasta alcanzar esfuerzos considerables.
Precisión dimensional: los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten establecer de manera muy precisa las propiedades geométricas de la sección.
Ductilidad: el acero permite soportar grandes deformaciones sin falla, alcanzando altos esfuerzos en tensión, ayudando a que las fallas sean evidentes.
Tenacidad: el acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía en deformación (elástica e inelástica).
Facilidad de unión con otros miembros: el acero en perfiles se puede conectar fácilmente a través de remaches, tornillos o soldadura con otros perfiles.
Rapidez de montaje: la velocidad de construcción en acero es muy superior al resto de los materiales.
Disponibilidad de secciones y tamaños: el acero se encuentra disponible en perfiles para optimizar su uso en gran cantidad de tamaños y formas.
Costo de recuperación: las estructuras de acero de desecho, tienen un costo de recuperación en el peor de los casos como chatarra de acero.
Reciclable: el acero es un material 100 % reciclable además de ser degradable por lo que no contamina.
Permite ampliaciones fácilmente: el acero permite modificaciones y/o ampliaciones en proyectos de manera relativamente sencilla.
Se pueden prefabricar estructuras: el acero permite realizar la mayor parte posible de una estructura en taller y la mínima en obra consiguiendo mayor exactitud.
3.18 DESVENTAJAS DEL ACERO
Corrosión: el acero expuesto a intemperie sufre corrosión por lo que deben recubrirse siempre con esmaltes alquidálicos (primarios anticorrosivos) exceptuando a los aceros especiales como el inoxidable.
Calor, fuego: en el caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por las estructuras haciendo disminuir su resistencia hasta alcanzar temperaturas donde el acero se comporta plásticamente, debiendo protegerse con recubrimientos aislantes del calor y del fuego (retardantes) como mortero, concreto, asbesto, etc.
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Pandeo elástico: debido a su alta resistencia/peso el empleo de perfiles esbeltos sujetos a compresión, los hace susceptibles al pandeo elástico, por lo que en ocasiones no son económicas las columnas de acero.
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CAPITULO 4
INSPECCIÓN Y ANÁLISIS PRELIMINAR
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CAPITULO 4 4. INSPECCIÓN Y ANÁLISIS PRELIMINAR. 4.1 INTRODUCCIÓN Todos los cables de acero eventualmente se desgastarán y gradualmente perderán su capacidad de trabajo a través de su vida útil. Es por esto que las inspecciones periódicas son muy críticas. Los estándares industriales aplicables como el ASME B30.2 para las grúas viajeras o los reglamentos federales, hacen referencia al criterio de inspección para diferentes aplicaciones. La inspección de forma regular de los cables y el equipo, deben hacerse por tres buenas razones: • Muestra las condiciones del cable y nos da una indicación de la necesidad de reemplazo. • Nos puede indicar si se está usando el más adecuado tipo de cable. • Hace posible el descubrimiento y corrección de las fallas en el equipo u operación, que pueden causar un costoso y acelerado desgaste del cable. Todos los cables deben ser inspeccionados concienzudamente a intervalos regulares. A mayor tiempo que el cable ha estado en servicio o mientras más severo sea el servicio, mas concienzuda y frecuentemente debe ser inspeccionado. Asegurándose de mantener los registros de cada inspección. Las recomendaciones típicas en los EUA, a través de las regulaciones del OSHA (Occupational Safety and Health Act) especifican: “Debe de hacerse una inspección completa de todos los cables, cuando menos una vez al mes y debe de tenerse rápidamente a la mano un reporte totalmente escrito, fechado y firmado, de las condiciones del cable”. Del mismo cuerpo regulador, la Especificación 1926.602 se refiere a los estándares de los equipos para manejo de materiales, como son las excavadoras y grúas, como sigue en lo referente a la inspección del cable de alambre (8.2.1.2): Todos los cables de alambre en servicio activo deben de inspeccionarse cada día de trabajo. Una inspección completa de tales cables, debe de hacerse cuando menos una vez al mes y los registros fechados deben de conservarse y mostrar las condiciones del cable.
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4.2 INSPECCION DEL EQUIPO Los factores principales que acortan la vida de los cables de acero son los defectos y fallas en el equipo en que se instalan. Las siguientes sugerencias son una guía para revisar las partes del equipo que causan la mayor parte de los problemas.
• Inspeccionar cuidadosamente el sistema de anclaje del cable tanto en los tambores como en la carga, asegurándose de que los terminales estén correctamente colocados. Presten especial atención a que los dispositivos de seguridad funcionan adecuadamente.
• Inspeccionar los canales, gargantas y superficies de todos los tambores, rodillos y poleas. Usar calibradores de poleas para comprobar los diámetros correctos. Ver que todas las superficies que hacen contacto con el cable sean lisas y estén libres de corrugaciones u otras condiciones de abrasión.
• Comprobar el libre movimiento de las poleas y la alineación correcta de sus ejes y rodamientos. Es indispensable que los rodamientos proporcionen el apoyo adecuado y que estén libres de bomboleo.
• Comprobar el enrollado del cable en el tambor, el cual debe ser uniforme. El enrollado irregular produce aplastamiento del cable.
• Revisar la ubicación de los rellenos iniciales y elevadores en el tambor, en caso de que sean usadas. Su ubicación incorrecta causa "cocas" y "cruces" entre las diversas capas de cables y acortan su vida útil.
Si es posible, seguir el recorrido del cable, buscando los puntos del equipo que aparezcan gastados o cortados por el cable en su movimiento. La colocación de protectores o rodillos en esos puntos disminuirá el desgaste abrasivo. 4.2.1 FRECUENCIA DE INSPECCIÓN Los cables de acero deben ser inspeccionados cuidadosamente a intervalos regulares; esta inspección debe ser más cuidadosa y frecuente cuando el cable ha prestado servicio mucho tiempo o en los casos de servicio pasado. La inspección regular de los cables y del equipo en que se utilizan tiene un triple propósito:
1. Revela el estado del cable e indica necesidad de cambiarlo 2. Indica si se está utilizando o no el tipo de cable más apropiado para ese servicio 3. Hace posible el descubrimiento y corrección de fallas en el equipo o en la. forma de
operarlo, que causen desgaste acelerado y costoso del cable
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EN GRÚAS. Esta inspección debe ser realizada por una persona que por medio de entrenamiento especial o por experiencia práctica, conozca los detalles a inspeccionar, y sea capaz de explicar y juzgar la importancia de los signos anormales que pudieran aparecer. La información obtenida por el inspector servirá como guía para estimar con mayor precisión el servicio que se debe esperar de un cable de acero. En lo referente a la reglamentación de grúas viajeras, se estipula: Los procedimientos de inspección para las grúas en servicio regular, se divide en dos clasificaciones generales, basadas en el intervalo al cual la inspección debe de realizarse, designado como:
• Frecuente • periódico,
Inspección frecuente: se refiere a la inspección diaria o mensual. Inspección periódica: se refiere a intervalos de uno a doce meses. Sin embargo, el deseo de muchos usuarios de la maquinaria, claramente estipulan, una inspección visual de todos los elementos, diariamente o a cada cambio de turno. Las inspecciones deben de ser realizadas por personal que haya aprendido mediante entrenamiento especializado o con suficiente experiencia práctica, que es lo que hay que buscar y como juzgar la importancia de cualquier condición anómala que pudiera descubrir. Es responsabilidad del inspector el obtener y seguir el criterio de inspección adecuado para cada aplicación que inspeccione. 4.3 QUE HAY QUE BUSCAR A continuación observaremos los principales problemas que se presentan en la inspección visual de los cables de acero.
Fig.1 Aquí se muestra lo que ocurre cuando un alambre se rompe bajo una carga de tensión que excede su capacidad de carga. Se reconoce por la forma típica acinturada en el punto de falla. El adelgazamiento del alambre en el punto de falla, que le da esta forma, nos indica que la falla ocurrió en forma dúctil.
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Fig. 2 Este es un alambre con una rotura distintiva por fatiga. Se reconoce por los extremos rectos y perpendiculares al eje del alambre. Esta rotura se produjo por una máquina de torsión que fue usada para medir la ductilidad. Esta rotura es similar a las fallas en los alambres causadas por fatiga en el campo de trabajo
Fig. 3 Un cable de alambres que ha sido sometido a un doblez repetido sobre poleas bajo cargas normales. Como resultado se tienen roturas por fatiga de los alambres individuales, estas roturas son rectas y usualmente en la corona de los filamentos.
Fig.4 Un ejemplo de falla por fatiga de un cable de alambre sometido a grandes cargas sobre pequeñas poleas. Las roturas en los valles de los filamentos son causadas por el adelgazamiento de los filamentos. Puede haber también roturas en las coronas.
Fig. 5 Aquí se observa un filamento sencillo, que ha sido removido de un cable de alambres sometido al mellado del filamento. Esta condición es el resultado del frotamiento o roce de los filamentos entre sí. Aún cuando esto es normal en la operación del cable, este desgaste por melladuras puede ser acentuado con cargas muy altas, poleas muy pequeñas o la pérdida del soporte que proporciona el alma. Como resultado final, se tendrán roturas individuales de los alambres en los valles de los filamentos.
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EN GRÚAS. 4.4 EVIDENCIA DE DESGASTE Y ABUSO
Fig. 1 Un enjaulado es causado por la súbita perdida de la tensión y el rebote del cable como resultante. Estos alambres y filamentos no regresarán a su posición original. El cable debe de ser reemplazado de inmediato.
Fig. 2 Una falla típica de una línea de perforación rotatoria con una mala práctica de corte. Estos alambres, han sido sometidos a un martillado contínuo, causando fallas del tipo por fatiga. Una buena práctica de corte, predeterminada y a intervalos correctos, puede ayudar a eliminar este tipo de problema.
Fig. 3 Este es un desgaste localizado sobre una zona de polea, el peligro aquí es que es prácticamente invisible durante la operación del cable; y esta es la razón por la que es necesario inspeccionar esta parte del cable en operación de manera regular y programada. El cable debe quitarse de la polea durante la inspección y doblarse para verificar si existen alambres rotos.
Fig. 4 Este es un cable de alambre con filamentos sobresaliendo, una condición donde uno o más de los filamentos se han desgastado antes de los filamentos adyacentes. Esto es causado por una junta inadecuada o los tamaños, golpes, ocurre cada seis filamentos en un cable de seis.
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Fig. 5 Se muestra un cable de alambre enroscado, es causado al jalar hacia abajo un lazo en un cable holgado durante la maniobra, instalación u operación. Nótese la distorsión de los filamentos y de los alambres individuales. Este cable debe reemplazarse.
Fig. 6 Aquí se tiene un cable de alambres que brinco la polea. El cable tiene un rizo conforme pasó la orilla de la polea. Cuando se analizan los alambres, se puede observar dos tipos de roturas: a la tensión, con la forma cónica y roturas al corte que se muestran cortadas en ángulo.
Fig. 7 El aplastamiento por los tambores es causado debido a un tamaño pequeño de estos, cargas muy altas y múltiples enrollamientos del cable.
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EN GRÚAS. 4.5 RECOMENDACIONES PARA LA INSPECCIÓN A manera general deben observarse los siguientes puntos: Debe de considerarse cada cable en forma independiente, recordando por ejemplo que se pueden tener cables de suspensión o bien el cable puede ser parte de la maquinaria de la grúa y esta a su vez puede tener varios cables. La condición ideal sería que el cable estuviera sin carga y en reposo, situación muchas veces imposible. Por lo que habría que recurrir a equipos especializados como el que nos ocupa y me refiero a los de INTRON; sin embargo hasta donde sea posible, debe de recurrirse primeramente a la inspección visual, mediante la ayuda de los siguientes accesorios (fig.1)
Fig.1 ilustra los principales aditamentos para la inspección.
Existen ciertos puntos críticos donde debe tenerse especial cuidado al efectuar la inspección: (Fig. 2 ilustra los puntos con mayor de desgaste en el cable instalado)
• Los puntos de levante, como las secciones del cable que son sometidos a esfuerzos repetidamente cuando la carga inicial de cada levantamiento es aplicada, tales como las zonas en contacto con las poleas.
• Accesorios en las puntas del cable, se deben buscar dos cosas, el accesorio utilizado para fijar el cable y el cable propiamente en el punto de inserción con el accesorio.
• Las poleas o conjunto de poleas, hay que tener especial cuidado en el cable que corre por esta zona.
• Adicionalmente, las poleas deben de inspeccionarse con un calibrador de ranuras. • Los tambores, especialmente sobre la forma en que se arrolla el cable, las
condiciones de las ranuras en este. • Exposición al calor, es necesario tener especial cuidado y observar cuidadosamente
si existe evidencia de que el cable ha sido expuesto al calor extremo, sobre todo si ha sido expuesta en forma repetitiva.
• Puntos de abuso, como cuando hay rozamiento entre los cables, se deberán buscar las zonas de desgaste, que normalmente son de color brillante.
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Fig.2 principales puntos de desgaste.
Todos los accesorios en las puntas de los cables, tienen la característica en común de restringir el libre movimiento de los alambres, lo que provoca el rompimiento de los alambres en estas zonas. (fig. 3) Normalmente un solo alambre roto, provoca el cuestionamiento si es conveniente seguir usando el cable, más de uno es suficiente causa para cambiarlo. Adicionalmente, en estas zonas, es muy común encontrar oxidación y corrosión, lo que llevará por consiguiente a atacar la superficie de los alambres, debilitándolos y al final provocando la ruptura de estos. En estas zonas se puede aprovechar para verificar los accesorios, como el gancho, etc.
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Fig.3 indicios de ruptura en uno de sus extremos.
4.5.1 DIÁMETRO DEL CABLE Cada inspección periódica debe de incluir la medición del diámetro del cable en los puntos críticos y registrarlos para futuras comparaciones. La mayoría de los estándares para la inspección, señalan claramente los valores permisibles en reducción de área, mismos que deben de ser conocidos por el inspector antes de tomar las mediciones. La medida del diámetro del cable, se toma sobre las coronas, normalmente se gira el cable o el pié de rey para tener la medida correcta. Fig. 4.
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Fig. 4 Forma correcta de medir el diametro del cable.
Una reducción evidente en el diámetro del cable, es un signo seguro de que se acerca el momento de cambiarlo. Esta reducción puede tener su origen en varias causas, cualquiera de las cuales hace necesario retirar el cable del servicio.
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La reducción del diámetro puede ser causada por muchos factores, incluyendo el tirón inicial cuando el cable es nuevo, ya que normalmente se fabrica ligeramente con un mayor diámetro. Al ponerse en operación, por primera vez, con filamentos nuevos y sin usar, el cable tendrá un asentamiento inicial, por lo que sufrirá una ligera reducción de diámetro. Otro factor es por el deterioro del "alma", originada por carga excesiva o por carga de impacto repetida; también por desgaste interno y fallas en los alambres por falta de lubricación o corrosión interna. Por lo tanto, se deberá contar con las medidas iniciales para futuras referencias. También por el uso normal se tiene un desgaste y reducción del diámetro, ya que los filamentos exteriores en sus coronas, son propensos al desgaste. Como todo este daño es interno y no puede ser observado ni medido, lo recomendable es retirar el cable de inmediato. Los estándares muestran específicamente la cantidad de pérdida de metal permisible. Por otra parte, puede ocasionar reducción del área, cuando el alma del cable se deteriora y esta reducción de área, normalmente es una clara indicación de un daño interno, por lo que deberá de hacerse una exanimación interna. De nuevo se muestra claramente la importancia de los equipos de INTRON. 4.5.2 PASO DEL CABLE El paso del cable es la longitud sobre el cable donde un filamento hace una espiral completa o vuelta sobre el alma o núcleo del cable. Este es un valor de ingeniería al diseñar el cable y controlado cuidadosamente durante el proceso de fabricación. Debido a que es muy común tener ajustes internos en el cable, al iniciar la carga por primera vez, es muy recomendable que sea medido después de la primera carga inicial, para efectos comparativos en las siguientes inspecciones periódicas. Una forma de medir el paso del cable, es utilizando una hoja blanca, papel carbón y lápiz; se sujeta firmemente el papel carbón y la hoja blanca sobre el cable y con el lado del lápiz mediante un ligero golpe, se traza la imagen, obteniéndose la huella en el papel. Fig. 5.
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Fig. 5. Ejemplo para medir el paso de un cable.
Al trazar una línea en un filamento y contar el número de filamentos en el cable se vuelve a poner otra línea, obteniéndose la medida correcta. Otra forma es utilizando un crayón o marcador tipo industrial y un rollo de cinta industrial para pegar, de esta forma se puede obtener una huella de tres pasos y así obtener un promedio mas exacto. Estos cambios en el paso del cable, son graduales a través de la vida útil de este, así que un cambio abrupto es una clara señal de un problema. Como regla común se tiene que si aumenta el paso del cable junto con una reducción del área, lo más probable es que se haya roto el alma o núcleo de este. Por otra parte, si hay aumento en el paso del cable sin la reducción del área, lo mas probable es que existan problemas de rotación del cable, al no tener las puntas fijas, no utilizar los accesorios necesarios, o bien, las poleas desgastadas en sus ranuras interiores, ya que restringen el movimiento normal del cable cuando entra y deja la ranura de la polea, lo que provoca un giro en el cable y modifica el paso de este. Cualquiera que sea la causa, es una anormalidad que debe anotarse como referencia futura e investigación de la causa que lo provoca. Cuando existe esta situación, el cable puede expulsar el alma o desbalancearse, permitiendo que toda la carga sea soportada por uno o dos torones. Si el extremo libre está rotando, se debe utilizar un cable estabilizador (tag line), sobre la carga. Probablemente el signo más común del deterioro del cable y la cercanía a la falla, son los alambres rotos; y los criterios de inspección son muy específicos en cuanto al número de alambres rotos bajo cada caso o circunstancia. Es normal en un cable que ha sido correctamente diseñado y usado u operado, encontrarse con alambres rotos, conforme llega
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al final de su vida útil. Bajo condiciones ideales, los primeros alambres en romperse son los exteriores, en las coronas de los filamentos, donde es de esperarse el desgaste superficial. 4.5.3 DESGASTE EXTERNO El desgaste abrasivo resulta del roce del cable contra algún objeto externo; siempre que sea posible, ese objeto debe ser eliminado de la trayectoria del cable, o ésta debe ser modificada. El desgaste por impacto (Peening), se produce cuando el cable golpea regularmente contra objetos externos o contra sí mismo. En general es fácil colocar protectores entre el cable y un objeto externo, pero cuando el cable se golpea contra sí mismo es poco 1o que puede hacerse, salvo seleccionar un cable más apropiado y asegurarse de que enrolle en forma correcta sobre el tambor. El desgaste por frotamiento ocurre a causa del desplazamiento de los torones y alambres forzados por el roce contra un objeto externo o contra el mismo cable. El frotamiento contra objetos externos puede ser evitado, pero igual que en el caso anterior la única medida que se puede adoptar contra el frotamiento del cable contra sí mismo, es enrollarlo correctamente. 4.5.4 FALLAS POR FATIGA Las fallas del alambre, cuando se observan extremos planos y poco desgaste superficial, son llamadas "fallas por fatiga". Generalmente ocurren en la cresta de los torones o en los puntos de contacto de un torón y otro. En la mayor parte de los casos estas fallas son ocasionadas por esfuerzos de flexión excesivos o por vibraciones. Cuando no es posible aumentar el diámetro de las poleas o tambores debe utilizarse un cable más flexible. Si se ha llegado ya al límite de la flexibilidad, la única medida que puede prolongar la vida del cable es desplazarlo a lo largo del sistema, de forma que la sección de cable sometida a los esfuerzos de flexión cambie de posición antes de que la pérdida de resistencia alcance un nivel crítico. 4.5.5 CORROSIÓN La corrosión es casi siempre un signo de falta de lubricante. No solamente ataca a los alambres produciendo pérdida de la ductilidad, sino que impide el libre desplazamiento de las partes del cable durante el trabajo. Todo esto genera fatiga prematura a los alambres y reduce notablemente la vida del cable. Un cable que muestre fallas por corrosión debe ser retirado inmediatamente, ya que no es posible medir con precisión la magnitud del daño. Para impedir que la corrosión destruya los cables, éstos deben ser lubricados cuidadosamente, y en casos de corrosión extrema, se debe recurrir a cables galvanizados.
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EN GRÚAS. La inspección visual de los cables para buscar alambres rotos, en muchos de los casos no puede realizarse cuando el cable esta sometido a tensión o soportando una carga, o bien cuando está operando. Ya que sería necesario quitar la tensión del cable, para poder flexionarlo tanto como sea posible y con un clavo grande, abrir aquellos alambres sospechosos o que se mueven excesivamente. Si el número de alambres rotos que se encuentre es cercano al límite permisible, debe de extenderse la inspección visual del cable, a otras secciones del cable. Lo que va haciendo la inspección visual muy difícil y lenta. Ya que también deberá medirse la reducción de área, el paso del cable y en caso de sospecha que también haya fallado el alma del cable, debe de realizarse la exanimación interna. Lo que va volviendo cada vez mas complicado y lento el servicio de inspección, por esta razón se han desarrollado equipos que bajo el funcionamiento del electromagnetismo, facilitan totalmente la inspección de los cables de acero. Fig. 6
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Fig.6. Imágenes descriptivas de lo mencionado con anterioridad.
Siempre que exista sospecha de daños internos, debido a alambres rotos o falla del alma, debe de abrirse una sección del cable sin dañarlo, para su verificación interna. Esto puede realizarse sin que se dañen los alambres, siempre y cuando el cable no esté sometido a cargas, por lo que puede introducirse un clavo grande entre dos filamentos y rotarlo para exponer el alma, que se encuentra bajo los filamentos. Fig. 7
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Fig.7. Las anteriores imágenes ilustran lo que se ha venido comentando. 4.6 INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA Hacia 1985 en EUA, un análisis estadístico sobre 8,000 registros de laboratorio y pruebas en campo, revelaron hechos muy interesantes, sobre los cables de alambre en servicio, encontrándose lo siguiente:
• Aproximadamente el 10% de los cables mostraron una disminución en su capacidad de carga, arriba de un 15%. Más del 2% de los cables habían perdido más del 30% de su capacidad nominal de carga. En otras palabras, aún cuando estaban en servicio, el 10% de todos los cables eran inaceptables y operaban en condiciones peligrosas; y por otra parte el 2% de todos los cables, operaban en una situación extremadamente riesgosa.
• Por otra parte, mas del 70% de los cables, fueron retirados de servicio, sin pérdida en su capacidad de carga o casi despreciable.
• Por lo anterior, los resultados anteriores muestran que solamente una muy pequeña parte de la muestra que se examinó, fue reemplaza en base al tiempo de uso del cable.
Estas anteriores observaciones, ilustran vívidamente la ineficacia de los métodos de inspección que actualmente utilizan los usuarios de cables, especialmente si solamente se hace la inspección visual. Ya que aunque la mayoría de los cables fueron retirados prematuramente como precaución, muchos cables en servicio tenían degradaciones muy severas y estaban en una condición muy peligrosa. La inspección visual en los cables de acero no es confiable como se ha venido demostrando, por lo que muchos usuarios hacen el cambio del cable a intervalos fijos, usualmente basados en toneladas o kilómetros. Otra de las desventajas de la inspección visual, es que no garantiza la seguridad en el cable, ya que no se puede identificar a los
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alambres que no son seguros y que deben de reemplazarse. Por otra parte, muchas veces es un desperdicio en dinero, ya que no se puede identificar a los cables que tienen vida remanente. Debido a que la falla de los cables conduce a una situación de alto riesgo, las prácticas y regulaciones estipulan claramente inspecciones periódicas, tanto para la industria minera, elevadores, grúas, etc. Como ejemplo en EUA, para la minería US Code of Federal Regulations (30 CFR 811), en elevadores Safety Code for elevators (ANSI A17.1 y 2), grúas viajeras ANSI B30.2.0. 4.7 EL DETERIORO EN LOS CABLES DE ACERO Es de dos formas:
• Pérdida metálica del área a través de su sección (LMA). Por abrasión externa, al rozar contra pisos u otras superficies; la interna, causada por falta de lubricación, melladuras, presiones muy altas. Corrosión, interna o externa, por falta de lubricación o debidas al medio ambiente, por ejemplo en estructuras costa afuera.
• Fallas localizadas (LF). Alambres rotos debido a fatiga, desgaste plástico, endurecimiento martensítico, o bien daño mecánico.
Aún cuando han sido propuestos y utilizados diversos métodos no destructivos, actualmente solo la prueba electromagnética es la mas práctica. Aunque debe de recordarse que siempre es importante realizar una inspección visual previa a la prueba electromagnética. Actualmente, los instrumentos para la inspección electromagnética de cables, son abisagrados y pueden colocarse fácilmente sobre el cable directamente, en el campo de trabajo; de tal forma, que la inspección de cualquier cable instalado es posible. Incluyendo espacios reducidos como en los elevadores o cables de suspensión de puentes. Están compuestos básicamente de dos partes: El cabezal magnético y la unidad recolectora de datos. El recolector de datos, conectado al cabezal magnético, es energizado por baterías recargables y cuenta con memoria interna para almacenamiento y posterior descarga, a una computadora, para su eventual análisis, también tienen un letrero luminoso que indica la información actual que se mide. El cabezal magnético, se fabrica de fuertes imanes magnéticos permanentes, con yugos, sensores y contadores de distancia. El cabezal magnético se instala en el cable y viaja a través del cable durante la prueba. Las ventajas que se tienen es que bajo cualquier circunstancia, es mucho más confiable que la inspección visual. Se tiene un registro permanente y objetivo de las condiciones del cable. Se detectan defectos internos y externos y como son bastante confiables, la vida útil del cable puede extenderse considerablemente e incrementarse la seguridad del cable. Es mucho mas conveniente ya que consume menos tiempo y menos peligroso para los inspectores que la inspección visual.
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4.8 EJEMPLOS TIPICOS DE DETERIORACION DE CABLES DE ACERO A continuación se mencionan las razones más comunes de la deterioración del cable de acero:
• Daño mecánico debido al movimiento del cable con tensión sobre un canto vivo • Desgaste localizado debido a abrasión con una estructura de soporte. Vibración de
un cable entre el tambor y la polea principal de izaje • Vía angosta de desgaste resultando en abrasión y fracturas por fatiga causada por un
cable trabajando sobre una polea con canaleta sobre dimensionada o corriendo sobre poleas chicas de apoyo
• Dos vías paralelas de alambres quebrados indicando una polea con una canaleta con diámetro insuficiente
• Desgaste severo asociado con presión excesiva sobre una polea con aparición del alma de fibra
• Desgaste severo en un cable de torcido lang causado por abrasión en los puntos de cruce en un tambor con varias de cable
• Corrosión severa debido a inmersión del cable en agua tratada químicamente • Corrosión interna aguda aunque la superficie externa no muestra evidencia de
deterioro. La falta de espacio entre los torones indica descomposición del alma de fibra
• Rotura del alambre como resultado de fatiga • Roturas de alambre entre los torones con muestra de soporte insuficiente del alma • Roturas en el alma de acero como resultado de tensión excesiva. • Deformación del interior de los cordones debido a un desequilibrio en el torque
durante su uso (tirones o golpes) • Desgaste localizado y deformación debido a una coca previa en el cable • Salida el alma de acero debido a tirones o golpes • Un desgaste severo exterior y corrosión interna severa. Tensión excesiva, abrasión y
corrosión. • Un cable anti - giratorio con “jaula de pájaros” debido a un desequilibrio en el
torque. Esta acumulación se puede encontrar en las puntas de anclaje del cable. 4.9 RECOMENDACIONES PARA PROLONGAR LA VIDA ÚTIL DEL CABLE No es muy sencillo determinar la duración del cable, ya que hay muchos factores involucrados:
1. La forma en que se instala y se usa por primera vez. 2. La técnica de operación y los hábitos de trabajo de los operadores de las grúas. 3. El mantenimiento físico del cable a través de su vida útil. 4. El mantenimiento físico del sistema en el que opera el cable.
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CAPITULO 5
SELECCIÓN DEL CABLE ADECUADO
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CAPITULO 5 5. SELECCIÓN DEL CABLE ADECUADO
5.1 SELECCIÓN DEL CABLE APROPIADO La clave del problema de la selección del cable más indicado para cada trabajo está en equilibrar correctamente los siguientes factores principales:
Carga de rotura (Resistencia) Resistencia a las Flexiones y Vibraciones (FATIGA) Resistencia a la Abrasión Resistencia al Aplastamiento Resistencia de Reserva Exposición a la corrosión
Muy pocas veces es posible seleccionar un cable que cumpla al máximo con los requerimientos de resistencia a la Abrasión y Aplastamiento, y posea también la máxima resistencia a la Fatiga. En general, se debe privilegiar las características más sensibles a la operación que se deba realizar a cambio de una disminución relativa en aquellas características menos relevantes para el fin predeterminado. 5.1.1 CARGA DE ROTURA (RESISTENCIA) El primer paso consiste en determinar la máxima carga que el cable deberá soportar, teniendo en cuenta no sólo la carga estática, sino también las cargas causadas por arranques y paradas repentinas, cargas de impacto, altas velocidades, fricción en poleas, etc. Por razones de seguridad se recomienda normalmente multiplicar, la carga de trabajo por un factor, indicado en la tabla de factor de seguridad. 5.1.2 RESISTENCIA A LAS FLEXIONES Y VIBRACIONES (FATIGA) Si un trozo de alambre se dobla varias veces, eventualmente se romperá; esto es debido al fenómeno llamado "Fatiga de Flexión". Este mismo fenómeno tiene lugar siempre que un cable de acero se dobla alrededor de poleas, tambores o rodillos. A menor radio de curvatura mayor es la acción de la fatiga. Los aumentos de la velocidad de operación y las flexiones en sentidos contrarios también aumentan este efecto. El mismo fenómeno es producido por vibraciones en cualquier parte del cable. Fig. 1
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. Fig.1 Tabla de relacion entre la resistencia a la abracion y a la fatiga.
La fatiga se reduce si las poleas o tambores tienen al menos los diámetros mínimos aceptables para cada tipo de cable. 5.1.3 ABRASION La abrasión es quizás el enemigo más común y destructivo del cable de acero. Se produce siempre que el cable roza o es arrastrado contra cualquier material. Este roce debilita el cable al producir desgaste en los alambres exteriores. Como en el caso de la fatiga, el mejor remedio para el desgaste excesivo es utilizar la construcción más apropiada. Como regla general, a menor número de alambres y mayor diámetro de ellos, mayor es la resistencia al desgaste abrasivo. No siempre es necesario cambiar el tipo de cable utilizado pues muchos casos de desgaste anormal son producidos por defectos en el equipo. Por ejemplo, poleas mal alineadas o desgastadas, o enrollado incorrecto y otras condiciones irregulares que describiremos al tratar sobre el uso del cable.
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5.1.4 APLASTAMIENTO El cable puede ser Aplastado por fuerzas exteriores en algunas ocasiones, pero lo más común es el Aplastamiento debido a la operación con cargas excesivas y también al uso de tambores lisos o con ranuras que no den el apoyo suficiente al cable. También, el Aplastamiento es frecuente en los casos de enrollado en varias capas, en los puntos en que el cable se apoya sobre sí mismo. Si la carga no puede ser disminuida o los tambores no pueden ser sustituidos por piezas más apropiadas para estas condiciones, debe recurrirse a cambiar el cable por uno de construcción más adecuada para resistir los efectos del aplastamiento. Si se está usando un cable con alma de fibra debe ser sustituido por uno con alma de acero, ya que ésta da mayor soporte a los torones e impide su deformación. Los cables de torcido REGULAR, son también más resistentes al aplastamiento que los de torcido LANG. 5.1.5 RESISTENCIA DE RESERVA La Resistencia de Reserva de un cable equivale a la resistencia combinada de todos sus alambres, excepto aquellos de las capas exteriores de los torones. A mayor número de alambres mayor es la Resistencia de Reserva, ya que al disminuir el diámetro de los alambres exteriores, mayor sección metálica estará concentrada en las capas internas del torón. La Resistencia de Reserva tiene mayor importancia en los casos en que la rotura de un cable puede ocasionar accidentes de importancia. En estos casos es recomendable la inspección frecuente por técnicos competentes y una selección del cable que se base fundamentalmente en este factor. La tabla indica el porcentaje de Resistencia de Reserva en cables de 6 u 8 torones, relativas a la cantidad de alambres exteriores en cada torón.
Cantidad de alambres exteriores Porcentaje de Resistencia de Reserva 6 18 8 27 9 32 10 36 12 43 14 49 16 54 18 58
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5.1.6 EXPOSICION A LA CORROSION Los cables generalmente están instalados al aire libre: por lo tanto, obra sobre la acción corrosiva de la atmósfera. Un engrasado periódico evita, en parte, la oxidación; pero hay casos en que la corrosión es muy activa, y entonces se debe recurrir, para proteger los cables, a recubrimientos protectores, constituidos generalmente de zinc. La corrosión disminuye la sección metálica de los cables y al extenderse aquélla lesiona los alambres, con lo cual se reduce la resistencia, capacidad contra la abrasión, elasticidad y flexibilidad de los cables. El galvanizado de los alambres proporciona a éstos una mayor resistencia a la corrosión, pero aminora las características mecánicas del material, haciéndole perder un 10% de su resistencia y un 15% de su flexibilidad. En instalaciones fijas o en servicios de funcionamiento poco frecuente los cables galvanizados resultan mejores que los cables sin galvanizar, pero si el trabajo del cable es continuo la acción abrasiva destruye la capa protectora de zinc y se pierde la ventaja de tal protección. En general, la mejor solución del problema es proteger los cables mediante un engrasado cuidadoso, realizado periódicamente, porque recurrir a los aceros inoxidables o a los bronces son soluciones que no satisfacen: la primera por su costo y la segunda por la poca resistencia del material. Por consiguiente, para contrarrestar la corrosión de los cables se deben emplear estructuras con alambres gruesos, cuyos diámetros serán limitados por la flexibilidad que imponga el cable, y se realizará un engrasado cuidadoso y regular. Si la corrosión fuera muy activa, entonces se debe recurrir al galvanizado de los alambres del cable. 5.2 SECTORES DE APLICACIÓN Algunos de los sectores donde más se requieren de cables de acero son:
Pesca. Pesca de arrastre.
Expuestos constantemente a la intemperie y a las inmersiones en el mar, estos cables han de fabricarse fuertemente protegidos con un galvanizado eficaz y el alma de los mismos se ha de engrasar hasta la saturación, recomendándose, igualmente, un reiterado engrase exterior hecho a intervalos regulares. La resistencia de los alambres con que se construyen estos cables varía entre 140 y 160 kg/mm2.
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Existen otros cables de maniobra de composición flexible. Principalmente son utilizados los de estructura 6 x 24, como fiadores, viradores y otros, construidos con alambres de resistencia entre 140 y 160 kg/mm2, galvanizados.
Industria.
Grúas de gran altura de elevación.
Se emplean en estos casos cables anti-giratorios, sobre todo si la carga está soportada por un solo ramal, y no puede ir guiada. Los cables anti-giratorios deben estar siempre sometidos a tensión, por lo cual es siempre necesario colocar en el gancho un contrapeso lo suficientemente pesado para que mantenga siempre tendido el cable, aún cuando le falte carga. Al no contar con cables anti-giratorios, se pueden utilizar cables de 8 torones con alma mixta o cables de 6 torones y alma de fibra.
Puentes grúa.
En los puentes grúa de las acerías de los cables trabajan cerca de importantes focos de calor; es necesario, en tales casos, proveer al cable de un alma metálica, en lugar del alma de fibra. De ello resulta que el peso y la resistencia a la rotura del cable quedan mejorados en un 11% aproximadamente y el diámetro en un 5% respecto de las características de los mismos cables con alma de fibra.
Montacargas.
Se exige de estos cables:
o Cierta flexibilidad. o Una buena resistencia a la abrasión.
Minería.
Los cables utilizados en las explotaciones mineras suelen ser de acero galvanizado con resistencia de rotura comprendida entre los 140 a los 180 kg/mm2.
Cables de extracción.
Se pueden utilizar cables de 6 torones de 19 y 37 alambres por torón, con torcido Lang. Estos cables pueden estar parcialmente equilibrados mediante un alma central mixta o enteramente metálica.
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Los cables de extracción suelen estar montados, ya sobre una máquina de tambor cilíndrico, bicilíndrico-cónico o bicónico, ya sea sobre una polea de adherencia Koepe. Los cables de extracción constituidos por 8 torones sobre un alma mixta se encuentran en muchos pozos equipados con polea Koepe. Ellos son semi-antigiratorios. En caso de profundidades importantes hay que recurrir al cable antigiratorio más equilibrado, con el fin de evitar las reacciones de este sobre las guías de la jaula.
Cables guías.
Los cables empleados como guías de pozo suelen ser de tipo compacto, con alambres exteriores más gruesos que los del núcleo, lo que fácilmente se comprende si se tiene en cuenta que estos cables han de resistir fuertes abrasiones, al resbalar sobre ellos las deslizaderas de las jaulas, y la acción corrosiva de la atmósfera húmeda de los pozos. Se exigen a este tipo de cables lo siguiente:
o Gran superficie efectiva de contacto. o Gruesos alambres exteriores. o Empleo de aceros poco frágiles, pero de suficiente dureza superficial.
El cable se mantendrá en servicio mientras el grado de seguridad no descienda hasta 3.
Cables de equilibrio.
Se emplean los cables antigiratorios. Estos cables solamente soportan su propio peso, por lo que se construyen con alambres de resistencia relativamente débil (120 a 140 Kg. / mm2). Los alambres suelen ser tan gruesos cuanto pueda alcanzarse, dentro de las condiciones de flexibilidad, con el fin de hacer frente a la corrosión. Estos cables al colgarse libremente en el interior del pozo, bajo las jaulas, no tienen tendencia a ensortijarse y no precisan por tanto guía en el fondo.
Cables de profundización.
Estos cables han de ser antigiratorios y muy flexibles, lo que permite el uso de poleas de menores diámetros que los pozos de extracción. El coeficiente de seguridad de estos cables suele tomarse entre 10 y 13 según se trata de transportar materiales o personas.
Cables de planos inclinados.
En estas instalaciones se emplea los siguientes cables: 6 x 7; 6 x 12, 6 x 19; 6 x 19 Seale.
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En los planos inclinados el factor preponderante que destruye el cable suele ser el desgaste; de aquí el interés que existe en utilizar cables de alambres exteriores gruesos con trenzado Lang. En cuanto al coeficiente de seguridad, se admite 7 para el transporte de materiales y 10 para personas.
Cables de arrastre.
En estas instalaciones los cables usuales suelen ser los de composición 6 x 7; 6 x 19 Seale en torsión Lang.
Perforaciones petrolíferas.
Cables de perforación.
Estos cables están sometidos a unas condiciones muy duras de trabajo. En los tambores el cable se enrolla en capas superpuestas a velocidad muy elevada y sufre grandes sobre-tensiones durante ciertas maniobras, que disminuyen considerablemente el coeficiente de seguridad previsto. En consecuencia, se emplean alambres cuya resistencia es de 160 a 180 Kg. / mm2 y excluir la utilización de alambres delgados. Se construyen en torsión regular y preformada. Estos cables requieren un engrasado muy cuidadoso con grasas especiales tanto interior como exteriormente, Los diámetros de utilización suelen estar comprendidos entre 12 y 32 mm2
Cables de maniobras y cables viento.
Para estas operaciones se utilizan cables con 6 torones tipo Seale con alma de fibra. Los diámetros de los mismos suelen oscilar entre 12 y 16 mm. También se emplean los cables de composición corriente 6 x 19 y 6 x 37. En todos estos cables los alambres son galvanizados.
Obras Públicas. Puentes colgantes. Ferrocarriles funiculares. Teleférico para el transporte de personas. Construcción. Excavadoras. Dragalinas. Cables retenidas. Cables fiadoras Hormigón pretensado.
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Ascensores. Marina. Jarcia firme. Jarcia de labor. Cables de maniobra.
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5.3 FACTOR DE SEGURIDAD El factor de seguridad de un cable de acero es la relación entre la resistencia a la ruptura mínima garantizada del cable y la carga o fuerza de trabajo a la cual esta sujeta. No es posible detallar el factor de seguridad para todas las aplicaciones, porque también hay que considerar el ambiente y circunstancias en el área de trabajo, pero en la siguiente tabla se observa una guía general para la selección del correspondiente factor.
Aplicación Factor Tirantes de cable o torones (trabajo estático) 3 a 4 Cables principales para puentes colgantes 3 a 3.5 Cables de suspensión (péndulo para puentes colgantes) 3.5 a 4
Cables de tracción para teleféricos y andariveles 5 a 6
Cada cable de operación de una grúa almeja 4 a 5 Palas mecánicas - excavadoras 5 Cable de arrastre en minas 4 a 5 Cables de izaje en minas (vertical e inclinado) 7 a8
Grúas tecles y polipastos industriales 6 (mínimo) Ascensores - elevadores - para personal 12 a 15 Ascensores - elevadores - para material y equipos 7 a 10
Grúas con crisoles calientes de fundición 8 (mínimo) Hay que tomar en cuenta que es necesario aumentar el factor de seguridad cuando hay vidas en juego, donde hay un ambiente muy corrosivo o donde una inspección frecuente es difícil de llevar a cabo.
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5.4 ALARGAMIENTO DE UN CABLE DE ACERO El alargamiento de un cable de acero en uso podría ser producto de varios factores, algunos de los cuales producen elongaciones que son muy pequeñas y generalmente pueden ser ignoradas. La lista siguiente cubre las causas principales de alargamiento de un cable. Las dos primeras son las más importantes y la tercera tiene una cierta influencia en determinadas circunstancias. 1.- Alargamiento debido al acomodamiento de los alambres en los torones y los torones en el cable cuando está puesto en servicio lo que usualmente se conoce como "Alargamiento Permanente por Construcción". 2.- Alargamiento Elástico debido a la aplicación de una carga axial. Esta se comporta según la "Ley de Hooke" dentro de ciertos límites. 3.- Expansión o Contracción Térmica debido a variaciones en la temperatura. A continuación, se procede a explicar algunos de los puntos más importantes de los antes descritos 5.4.1 ALARGAMIENTO PERMANENTE POR CONSTRUCCIÓN El valor práctico de esta característica depende de muchos factores. Los más importantes son el tipo y construcción del cable, el rango de cargas aplicadas y la cantidad y frecuencia de los ciclos de operación. No es posible afirmar cifras exactas para los distintos tipos de cables en uso, pero los siguientes valores aproximados podrían ser empleados para conseguir resultados razonablemente acertados. % Longitud del Cable
CARGA Alma de Fibra Alma de Acero
Liviana (factor de seguridad 8:1) 0.25 0.125
Normal (factor de seguridad 5:1) 0.5 0.25
Pesada (factor de seguridad 3:1) 0.75 0.50
Pesada con muchos dobleces y deflexiones hasta 2.0 hasta 1.0
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5.4.2 ALARGAMIENTO ELÁSTICO El módulo de elasticidad también varía con las distintas construcciones de cables, pero generalmente se incrementa con el aumento del área de la Sección de Acero. Usando los valores en la tabla siguiente, es posible obtener una estimación razonable del "Alargamiento Elástico", pero si se requiere mayor exactitud en la información será necesario realizar una prueba experimental con una muestra del cable en consulta. Como los usuarios de los cables van a encontrar cierta dificultad en conseguir el área metálica exacta, los siguientes valores están basados en el área circundante en relación al diámetro nominal del cable. Tabla de Módulos de Elasticidad
Construcción Cables Negros Modulo de Elasticidad (Kg / mm2) Serie 6 x 7 Alma de Fibra 6.300 Serie 6 x 7 Alma de Acero 7.000 Serie 6 x19 Alma de Fibra 5.000
Serie 6 x 19 Alma de Acero 6.000 Serie 6 x 37 Alma de Fibra 4.700 Serie 6 x 37 Alma de Acero 5.600 Serie 18 x 7 Alma de Fibra 4.300 Serie 18 x 7 Alma de Acero 4.500
Torones Galvanizados 1 x 7 (6/1) 11.000
1 x 19 (12/6/1) 10.000 1 x 37 (18/12/6/1) 9.500
Las cifras mencionadas son aproximadas y son aplicables a cables trabajando con un factor de seguridad de alrededor de 5:1. Se puede conseguir Módulos de Elasticidad más altos, trabajando con factores de seguridad inferiores a 5:1 y viceversa.
Donde: C = Carga aplicada (Kgf)
L = Longitud del cable (mm) E = Módulo de Elasticidad según tabla (Kg/mm2) A = Área aparente del cable (Circulo circundante) (mm2)
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5.4.3 EXPANSIÓN O CONTRACCIÓN TÉRMICA El "Coeficiente de Expansión Lineal" de un cable de acero es 12.5 x 10 -6) por cada Grado Celsius (1°C), por lo tanto, el cambio en longitud de un cable de 1 metro producido por el cambio de temperatura de 1°C será: Cambio de longitud
Donde: l = Coeficiente de expansión lineal lo = Longitud original del cable en mm T = Cambio de temperatura en °C Este cambio significará un aumento en longitud si la temperatura aumenta y una reducción en longitud si la temperatura baja. Ejemplo: Para calcular el alargamiento total de un Cable de Acero ¿Cuál será el alargamiento total de 200 metros de cable de acero de 29 mm de diámetro, construcción 6 x 36 con alma de acero con una carga axial de 10.000 kg (relación, resistencia del cable a la carga aplicada = 5 a 1, y con un aumento de temperatura de 20°C? 1.- Alargamiento Permanente por construcción = % Aumento de longitud del cable por carga aplicada x lo (mm) = (0,25/100) x200.000 mm = 500 mm 2.- Alargamiento Elástico
10,000 200,000
5600 229 2
4
=541mm. 3.- Expansión Térmica
l = 0.0000125 mm x 200.000 mm x 20ºC = 50 mm lineal Alargamiento Total = 500 mm + 541 mm + 50 mm = 1.091 mm
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5.5 DUREZA DE LOS ALAMBRES DE ACERO Calidad Dureza (Rockwell C) Acero Arado extra Mejorado 52 Acero Arado Mejorado 45 Acero Arado 43 Por ejemplo, la dureza recomendad para canaletas de poleas o tambores son: Acero bajo Carbono = 17 a 20 RC Acero al Manganeso o equivalente = 30 a 35 RC 5.6 LUBRICACION Durante su fabricación, a los cables negros se les aplica un tipo de lubricante cuya característica dependerá del diámetro, tipo y uso del cable. También a veces se aplican lubricantes a los cables galvanizados para ciertos trabajos específicos. La aplicación de un lubricante provee una buena protección a la oxidación por un tiempo razonable, si está almacenado de una manera apropiada. Pero cuando el cable se pone en servicio, esta lubricación generalmente no va a ser suficiente para durar toda su vida útil. Debido a esto, será necesario hacer una lubricación de servicio periódicamente. Las siguientes son las características de un buen lubricante para cables de acero: 1.- Libre de ácidos y alcalinos 2.- Debe tener suficiente tenacidad para adherirse al cable 3.- Debe tener una viscosidad que permita su penetración dentro de los torones y el cable 4.- Debe ser "insoluble" en el ambiente alrededor de su área de trabajo 5.- Debe tener una tensión superficial alta 6.- Debe resistir la oxidación 7.- Preferiblemente el lubricante aplicado debe ser compatible con el lubricante original del cable 8.- Antes de la aplicación de lubricante hay que eliminar al máximo el polvo y material abrasivo sobre la superficie del cable. Se puede limpiar con un cepillo de alambres con solventes, aire comprimido o vapor a presión. Inmediatamente después de la limpieza hay que aplicar el lubricante.
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EN GRÚAS. 5.7 ANTECENDENTES NECESARIOS PARA SOLICITAR UN CABLE DE ACERO La capacidad de la grúa es de 12 000 kg. Y con una altura de 50m. Bajo el gancho. La grúa cuanta con un polipasto de 4 canales le cual contiene el cable a seleccionar. El polipasto cuneta con 4 canales por lo que la longitud total del cable es de 200 m. Su principal funcionamiento es la elevación y maniobra de cargas variables sin exceder su capacidad para estas operaciones se utilizan cables con 6 torones tipo Seale con alma de fibra. Los diámetros de los mismos suelen oscilar entre 12 y 16 mm. También se emplean los cables de composición corriente 6 x 19. Esta construcción está formada por 6 torones de 19 alambres cada uno, que están integrados por dos capas de alambres del mismo número (9), colocados alrededor de un alambre central. En este caso, los alambres de la capa exterior son más gruesos que los alambres de la hilera interno, con el objeto de darle una mayor resistencia a la abrasión. Detalle en fig. 1
Fig. 1 detalle cable 6x19 Seale
Diámetro mínimo de poleas y tambores. 34 veces el diámetro del cable. El tipo de cable mas adecuado es el de torcido lang, son ligeramente más flexibles y muy resistentes a la abrasión y fatiga, pero tienen el inconveniente de tener tendencia a destorcerse por lo que únicamente deberán utilizarse en aquellas aplicaciones en que ambos extremos del cable estén fijos y no le permitan girar sobre sí mismos. Los cables con torcido derecho se conocen como los de "fabricación normal", por lo tanto, son los que se utilizan en la mayoría de las aplicaciones. Por esta razón es seleccionado pues el torcido izquierdo solo es usado en casos especiales. El cable será del tipo preformado porque tanto los alambres individuales como los torones tienen la forma helicoidal exacta que llevarán en el cable terminado. Las principales ventajas del Preformado son mayor flexibilidad, facilidad de manejo, superior resistencia a las "cocas" y distribución uniforme de la carga entre todos los alambres y torones.
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La eliminación de esfuerzos internos en el cable preformado garantiza una mayor vida útil. Por las razones mencionadas, se fabrican según las normas de los cables en estado preformado. Por el uso que tiene, (elevación y maniobra de cargas) los alambres son galvanizados. Largo requerido 200m. Diámetro (medido entre torones opuestos) 12 y 16 mm. Número de torones 6 Número de alambres por torón 19 Configuración de los alambres 6 torones tipo seale Tipo de centro o alma (fibra natural, sintético o acero) Fibra Calidad del acero de los alambres (Arado Mejorado, etc.) Acero de tracción Preformado o Sin Preformar Preformado Recubrimiento de los alambres (Galvanizados o no) Galvanizado Tipo de torcido (REGULAR o LANG) Lang Dirección del torcido a la Derecha o a la Izquierda Derecho Aplicación del cable y función Cable de elevación
La resistencia mínima de fluencia se mide al 0.7% de elongamiento bajo carga y sus módulos de elasticidad van de 1.97 x 106 a 2.11 x 106 kg/cm2, ya que el acero es estirado en frío.
El cable se especifica de acuerdo a su diámetro nominal mientras que el alambre se especifica de acuerdo a su calibre en vez del diámetro. La elongación del cable consiste básicamente en dos puntos:
• Un estiramiento debido al reacomodo radial y axial de los alambres y torones que lo componen.
• El estiramiento elástico de los alambres que forman la sección.
Por lo tanto el estiramiento depende del valor de la carga, el número de torones por cable, el número de alambres por torón, el paso de los arreglos helicoidales y el tipo de acero empleado.
La elección del cable se realiza a partir de las tablas del fabricante, especificando la carga última (de ruptura) contra su diámetro nominal, debiendo limitar su elongación de acuerdo al módulo de elasticidad tabulado y el área neta de la sección del cable.
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EN GRÚAS. EJEMPLO DE TABLA:
� nominal Resistencia a la ruptura
Área neta Peso unitario Módulo de elasticidad
½" 13.6 ton 0.97 cm2
0.77 kg/cm2 1.69 x 106
kg/cm2
¾" 30.8 ton 2.18 cm2
1.76 kg/cm2 1.69 x 106
kg/cm2
1" 55.3 ton 3.87 cm2
3.13 kg/cm2 1.69 x 106
kg/cm2
5.8 CALCULO DEL DIÁMETRO APROPIADO PARA EL CABLE EMPLEADO EN LA GRÚA.
Obtener el diámetro nominal del cable necesario para izar una carga de 12 Ton. Si el acero del cable empleado es de 1.96 x 106 kg/cm2, y su longitud es de 200 m. Si la elongación máxima debe ser del 0.7 %.
� nominal Resistencia a la ruptura
Área neta Peso unitario Módulo de elasticidad
½" 13.6 ton 0.97 cm2 0.77 kg/cm2 1.69 x 106 kg/cm2
5/8" 21.1 ton 1.51 cm2 1.51 kg/cm2 1.69 x 106 kg/cm2
¾" 30.8 ton 2.18 cm2 1.76 kg/cm2 1.69 x 106 kg/cm2
1" 55.3 ton 3.87 cm2 3.13 kg/cm2 1.69 x 106 kg/cm2
Factor de carga = 1.5
Factor de reserva= 0.75
AeFu75.0)000,12(5.1 ≤
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AeFu = Rn
Ae = área neta efectiva
2000,2475.0
18000cmKgRn =≥
Para un cable de Diámetro ½" ó 1.27cm
cmcm
cmkgAPL
cmkg 23.126
)1096.1(97.0)000,20(000,122
62 =×
=Δ⇒=Δε
007.00063.0000,2023.126
<==Δ
=cmcm
Lε
Para un cable de Diámetro 5/8” ó 1.59cm
cmcm
cmkgAPL
cmkg 1.81
)1096.1(51.1)000,20(000,122
62 =×
=Δ⇒=Δε
007.0004.0000,20
1.81<==
Δ=
cmcm
Lε
Para cualquiera de los dos casos el diámetro del cable es factible pero seleccionamos el de 1/2” para economizar pues un calibre mayor induce un costo mayor en el presupuesto
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5.9 DISCUSIONES
1. Se deben tener precauciones de como se almacenaran los cables para que al ser puestos en servicio no sufran fallas antes de tiempo. 2. El enrollado del cable en capas múltiples sobre un tambor podría resultar en una destrucción severa en las capas interiores. 3. Enrollamiento incorrecto (debido a un ángulo de devanado excesivo o enrollado sin tensión), podría resultar en tirones mecánicos donde se muestran aplastamientos severos y también podría resultar en tirones fuertes durante su operación. 4. Poleas de diámetro pequeño podrían causar devanación permanente en el cable y seguramente va a causar alambres rotos antes de tiempo. 5. Canaletas o ranuras con dimensiones insuficientes en poleas causando aplastamiento y develaciones en el cable y esto se muestra con dos líneas de desgaste en el cable y rotura del alambre. Los quebrados en poleas de compensación podrían ocurrir por razones de fatiga. 6. Un ángulo excesivo de devanado podría causar un desgaste severo en el cable debido a su roce con las vueltas adyacentes en le tambor. El deterioro del cable en un terminal se muestra a veces en la forma de alambres rotos. 7. Instale el cable correctamente. No atrape ningún doblez del cable entre las poleas, un manejo adecuado evitará esto. Las primeras vueltas en el tambor son las más importantes. 8. “Estrene” el cable correctamente. Opere el cable varias veces sin carga, después con poca carga, por último úsela con carga; así permitirá el ajuste de los cables y filamentos. 9. Permita el estiramiento inicial de construcción. Debido a lo que se menciona anteriormente; esto es parte del proceso constructivo del cable y es alrededor de 0.25 a 1.0% de la longitud del cable. 10. Corte las puntas o lugares donde hay puntos de desgaste o voltee el cable. Si se observa desgaste localizado en cierta zona, vale la pena tener un cable un poco mas largo, para cortar esas zonas desgastadas en las puntas. 11. Lubricación es muy importante a través de su vida útil, haciendo una limpieza previa. Una buena forma de que penetre el lubricante es cuando se aplica por el lado exterior estando el cable curvo, sobre tambores. Siempre del recomendado por el fabricante.
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5.10 CONCLUSIONES 1. La resistencia por unidad de área se ve más afectada en los alambres de mayor diámetro que en los de menor diámetro frente a la oxidación, debido a que los alambres de mayor diámetro presentan una mayor superficie de contacto con el medio. 2. Se considera el cable con torcido regular como antigiratorio debido a su construcción ya que sus torones están torcidos en sentido contrario al torcido o cerrado del cable. En cambio, el cable con torcido Lang presenta una tendencia a destorcerse por su construcción en que sus torones están torcidos en el mismo sentido que el torcido del cable. 3. La lubricación es una de las fases más importantes en la construcción de un cable ya que permite la disminución del rozamiento interno de los alambres y tornes, evita la corrosión del cable y conserva su alma de fibra. Los lubricantes empleados deben ser fluidos, con el fin que puedan penetrar en el interior del cable, adherentes para que no se escurran y exentos de sustancias ácidas para evitar la corrosión y tampoco ser marcadamente alcalinos. 4. Si se requiere poca flexibilidad y una alta resistencia a la tracción se utilizan cables con alma de acero. Por el contrario si se necesita mayor flexibilidad e igualmente un alta resistencia a la tracción se utilizan cables de almas de fibra. 5. Si se necesita una alta resistencia al doblado e igual resistencia a la tracción se utilizan cables flexibles con alambres delgados en sus capas exteriores y por último, si se requiere máxima resistencia a la abrasión e igual resistencia a la tracción se utilizan cables poco flexibles con alambres gruesos en sus capas exteriores. 6. Los cables construidos con alambres gruesos resisten mejor el aplastamiento que los fabricados con alambres finos por deformarse en menor grado. De igual forma un cable con alma de fibra es menos resistente al aplastamiento que un con alma de acero. 7. La corrosión disminuye la sección metálica de los cables, con lo que se reduce la resistencia o capacidad contra la abrasión, elasticidad y flexibilidad de los cables. Esto se soluciona galvanizando los alambres del cable o en otro caso lubricándolo periódicamente. 8. Los alambres son sometidos a una serie de ensayos para verificar sus cualidades. En cambio, los cables son sometidos a ensayo a la rotura por tracción. El control de calidad de la materia prima y los cables ya terminados se realizan con el fin de verificar que una vez que estén en uso cumplan con las exigencias del servicio que presten.
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5.11 BIBLIOGRAFIA Russell C. Hibbeler, “Mecánica de Materiales”, C.E.C.S.A., Quinta reimpresión, 2004, México, DF. Pat L. Manonon, “Ciencia de Materiales” (selección y diseño), Prentice Hall, Primera edición 2001. Pytel, Andrew ET. AL, “Resistencia de Materiales”, Alfa Omega, Séptima reimpresión diciembre 2006, traducción de la cuarta edición en ingles. James M. Gere “Mecánica de Materiales”, Thomson, Sexta Edición. Robert L. Mott “Resistencia de Materiales Aplicadas”, Prentice Hall, Tercera Edición. R. C. Hibeller. “Mecánica de Materiales”, Prentice Hall, Sexta Edición. http://es.wikipedia.org www.construaprende.com/Apuntes www.ndtenespanol.org
![ENCUENfRO Grupo Editor - Blog UCLMblog.uclm.es/luisarroyozapatero/files/2014/02/Antonio-Sánchez-Galindo.pdfprof. or. antonio berlstÁin ipiÑa, s. ]. antonio sÁnchez gallndo ••](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/5e96d6c1962191575d3314a4/encuenfro-grupo-editor-blog-nchez-galindopdf-prof-or-antonio-berlstin-ipia.jpg)
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