1. FAVIO GONZLEZ MOJICA JAIRO SABOGAL MARTNEZ Bogot D.C., junio de 2010 Departamento de Ingeniera Mecnica y Mecatrnica Lnea de Investigacin, Innovacin y Desarrollo Tecnolgico XXVI MUESTRA DE MQUINAS Y PROTOTIPOS DISPOSITIVO PARA GENERAR SISMOS A ESCALA.

2. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIN Los efectos catastrficos de terremotos recientes han llamado la atencin de los ingenieros a desarrollar medios efectivos para aumentar la resistencia ssmica de las estructuras. La verificacin de la efectividad de nuevos sistemas sismo-resistentes requiere amplia experimentacin bajo condiciones reales. Los simuladores ssmicos son una de las herramientas principales para este tipo de experimentacin. 3. En realidad ninguna empresa patrocina este proyecto, sin embargo el proyecto ha recibido apoyo del ingeniero Arzola, el ingeniero Espinel y la empresa de metal mecnica Mavimetal Ltda. El valor esperado del proyecto esta alrededor de los 1.200.000 pesos El presupuesto destinado para el la construccin del dispositivo fue de 600.000 pesos. El tiempo de desarrollo del dispositivo fue de 4 meses y su construccin fue de 3 semanas. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIN 4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE DISEO Permitir a los investigadores y estudiantes de ingeniera que realicen estudios en las reas de dinmica de suelos y estructuras, usando un dispositivo de bajo costo que simule el comportamiento de la estructura bajo la accin de un sismos, con el fin de obtener mejores desarrollos en estas reas. 5. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE Realizar la simulacin de un sismo lo mas real posible. Permitir el montaje adecuado para el tipo de maqueta. Debe tener la posibilidad de introducir y controlar las variables para obtener diferentes tipos de sismo. Debe garantizar la seguridad del operario, la maqueta y a los elementos del equipo. 6. El rea ocupada por el equipo debe ser menor de 150x100 cm. El dispositivo debe ser liviano. Debe ser mas econmico que los dispositivos ya existentes. Debe tener una buena apariencia. Debe tener una vida til de mnimo 4 aos. 7. ANLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING) Este dispositivo fue desarrollado en la universidad de valle, tiene el inconveniente que no se puede desplazar a otro lugar, que ocupa un espacio mu amplio y a pesar de los intentos sigue siendo costoso en su fabricacin. 8. ANLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING) Este dispositivo tiene un buen funcionamiento, sin embargo su construccin es compleja, no se usa para ensayar maquetas, este solo para simulacin del suelo y obtencin de graficas y usa elementos que son costosos. 9. ANLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING) Este dispositivo no fue diseado para ensayos, tiene un gran tamao y es muy costoso. Tiene un muy buen diseo. 10. ESPECIFICACIONES DE INGENIERA Mecanismo para simulacin del sismo Interfaz con la persona. Seguridad. Vida til. Diseo atractivo. Materiales livianos. Dimensiones requeridas. Ergonoma. Bajo consumo energtico. 11. DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL ENSAYAR MAQUETAS DE COSNTRUCCIONES A ESCALA BAJO CONDICIONES DE SISMO ACOPLAR LA MAQUETA SUJETAR MAQUETA A LA BASE TRANSMITIR MOVIMINETO DE LA MESA A LA MAQUETA EVITAR EL DESLIZAMIENTO DE LA MAQUETA SOBRE LA BASE GENERAR LA ONDA ACTIVAR MECANISMO DE VIBRACION TRANSMITIR VIBRACION O MOVIMIENTO A LA BASE SUMINISTRAR DATOS DE FUNCIONAMIENTO ENCENDER / APAGAR PONER EN MARCHA DESACTIVAR RECEPCION DE DATOS DE ENTRADA PROCESAR DATOS PARA FUNCIONAMIENTO ENVIAR AL DISPOSITIVO LA INFORMACION NESESARIA RECOLECCION DE DATOS ACTIVAR MECANISMO DERECOLECCION DE DATOS OBTENER LOS RESULTADOS ENVIAR DATOS PARA SU FUNCIONAMIENTO ARROJAR DATOS DESEADOS PROVEER SEGURIDAD UBICAR TAPA DE ACRILICO EVITAR SALIDA DE PARTES QUE PUEDAN AFECTAR EL ENSAYO 12. GENERACIN DE CONCEPTOS: VALORACIN DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIN GENERADAS 13. GENERACIN DE CONCEPTOS: 14. GENERACIN DE CONCEPTOS: 15. EVALUACIN DE CONCEPTOS: 16. EVALUACIN DE CONCEPTOS: 17. PRESENTACIN DE LA ALTERNATIVA DE DISEO GLOBAL DOMINANTE 18. GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTO SELECCIN DE COMPONENTES ESTANDARIZADOS Perfiles cuadrados Perfiles en U Perfiles en L Perfiles de aluminio Rodamientos Ruedas Bisagras Tapas de caucho Lamina Potencimetro Acelermetros Motor Cables Tornillos Tarjeta de adquisicin de datos 19. GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTO SELECCIN DE MATERIALES Y PROCESOS DE FABRICACIN Para nuestro dispositivo se decidi que la gran mayora de las piezas o partes del mismo estaran construidas en acero, que nos confiere la resistencia mecnica que este dispositivo requiere y adems nos permite obtener una vida til mas larga. Otras partes del dispositivo son de aluminio (los perfiles de seccin especial) y de acrlico (la cubierta de seguridad) En procesos de fabricacin se uso como mecanismo de unin, la soldadura, para la construccin de la mesa y otras piezas del dispositivo (disco con ranura, mesa vibratoria), se realizaron algunos torneados, fresados, taladrados y cortes manuales. Todo el ensamble fue realizado a mano usado las respectivas herramientas. 20. DESCRIPCIN DE LA MQUINA El dispositivo para generar sismos a escala principalmente es un sistema biela- manivela, este sistema cuenta con un disco con ranura, el cual esta montado en un motor que le imprime el movimiento rotatorio necesario, la ranura en el disco nos permite ubicar en diferentes radios del disco el punto de unin entre el disco y la biela con el fin de variar la amplitud del movimiento telrico simulado. La biela esta unida a la base vibratoria que es la que se desplaza linealmente y donde se montan las maquetas (prticos) para ser ensayadas. Esta base vibratoria esta montada sobre rodamientos para facilitar su desplazamiento lineal y cuenta en la parte superior con perfiles de seccin transversal especial para permitir la sujecin de la maqueta. Todo esto esta montado sobre una mesa fabricada con perfileria cuadrada y unida por medio de soldadura, en la cual sobre la base se atornillaron dos perfiles de seccin transversal en forma de U que sirven como guas al desplazamiento lineal de la base vibratoria. El dispositivo esta controlado por medio de un potencimetro, que es el encargado de poner en funcionamiento el motor y adems permite variar la velocidad de rotacin en el motor, con lo que podemos controlar la frecuencia en la simulacin. Los datos se recogen por medio de un acelermetro y son interpretados por el software Labview. 21. DESCRIPCIN DE LA MQUINA 22. DESCRIPCIN DE LA MQUINA 23. DESCRIPCIN DE LA MQUINA EXPLICACIN DEL MODO DE FUNCIONAMIENTO Una vez que se halla montado la maqueta (prtico) y se halla sujetado correctamente sobre la mesa vibratoria, se realiza el acople del acelermetro sobre la maqueta, el acelermetro previamente se ha instalado a la tarjeta de adquisicin de datos y se ha comprobado que funciona correctamente y paralelamente con el software Labview, el cual se encarga de tomar los datos de aceleracin en la parte superior de la maqueta con el fin de obtener los datos de deriva necesarios para el estudio de la estructura, estos datos sern comparados con los del modelo matemtico para corroborar su funcionamiento y obtener el error entre uno y otro. Una vez listo lo concerniente a la maqueta y al acelermetro, se escoge en el disco con ranura la amplitud a usar y luego se pone en funcionamiento el dispositivo por medio del potencimetro escogiendo una velocidad de rotacin que este en concordancia con la frecuencia de la simulacin, una vez este en funcionamiento se podr observar la base vibratoria en un movimiento de derecha a izquierda y viceversa, en medio del ensayo si se desea se podr aumentar la velocidad de rotacin del motor para ver como se comporta la estructura en ese cambio de frecuencia. 24. DESCRIPCIN DE LA MQUINA ASPECTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL DE LA MQUINA El equipo cuenta con varias consideraciones de seguridad, entre estas la ms importante hace referencia a la implementacin de una cpula de seguridad para evitar que elementos puedan lastimar al operario del dispositivo o a personas cercanas al mismo. Se consideraron las zonas que podan ser peligrosas, como las que pertenecen al mecanismo biela manivela, en donde se pueden presentar accidentes en las manos y por medio de una buena ubicacin minimizar este riesgo. Por medio de un potencimetro se busca realizar el control de la variacin de las RPM del motor con el fin de mostrar en el equipo diferentes dimensiones de un sismo y los cambios que se presentan en la deriva de acuerdo con este aumento de escala, con el fin de realizar algunas comparaciones entre los diferentes ensayos. Para la salida de informacin se implementara una tarjeta de adquisicin de datos adecuada para los acelermetros que se van a usar para estos ensayos, de modo que se puedan recibir los datos provenientes del acelermetro y llevarlos a un PC donde por medio del software Labwiev se obtengan graficas y los valores deseados del ensayo. 25. DESCRIPCIN DE LA MQUINA ASPECTOS DE ERGONOMA CONSIDERADOS Se hicieron varias consideraciones de ergonoma, la primera de ella es la altura que debe tener el dispositivo generador de sismos para que no se incomodo o perjudicial para la persona al instalar la maqueta en la base vibratoria o ajustar en el control de variables los valores deseados, por lo que esta altura no sobrepasara los 80 centmetros, tambin se considero usar una perilla y un encendido cmodos y que se ajustaran ergonmicamente a las manos humanas en el control de variables, aunque cabe recordar que son elementos que se encuentran fabricados por lo que lo mejor es buscar los elementos que cumplan esas condiciones en el mercado. Los soportes de la maqueta se disearon de forma que no fueran ni muy grandes ni muy pesados para que fueran mas fciles de manipular y de transportar, la instalacin de estos soportes en la base vibratoria se pensaron de manera que no fueran a tener complicaciones en su ubicacin y se evito que ninguna herramienta tuviera problemas de acceso para fijarlas a la base. Por ultimo se pens trabajar con elementos que facilitaran el uso de dispositivo, como el caso de perfiles de aluminio como guas, adems se tuvo en cuenta que no existieran bordes peligrosos o filosos. 26. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEO El dispositivo para simulacin de sismos a escala tendr como aporte nuevos desarrollos en la ingeniera, especialmente en la ingeniera civil, abriendo la puerta a la investigacin en el rea de dinmica de suelos y estructuras, buscando el desarrollo de mejores sistemas sismo-resistentes, tambin permitir a los estudiantes de ingeniera tener la posibilidad de observar este fenmeno natural no solo desde la teora sino tambin desde la practica, incentivndolos a profundizar en esta rea para que generen nuevas ideas y nuevos diseos. Su aporte social es muy importante por que brindara a los diseadores y ingenieros la confianza en sus construcciones y estructuras las cuales sern mas resistentes ante un sismo de escala considerable, lo que generara tambin un sentimiento de confianza y seguridad en la poblacin en general , que ante un sismo tendrn mas posibilidades de sobrevivir y sus perdidas materiales no sern tan elevadas a como lo habran podido ser. 27. ANLISIS ECONMICO COSTOS ASOCIADOS CON EL PROCESO DE DISEO Los costos de diseo estn asociados con el tiempo invertido en el diseo y adems con las tcnicas y conocimientos usados en el planteamiento de diseo del dispositivo, por lo que consideramos que esta cifra esta alrededor de los 7.365 pesos la hora. COSTOS DE MATERIALES La inversin de capital para los materiales fue de 270.000 pesos, representado en perfilara y otros elementos necesarios para el dispositivo. Algunos de los elementos del dispositivo fueron proporcionados en calidad de prstamo. COSTOS DE FABRICACIN La inversin en fabricacin fue mas econmica de lo pensado, ya que se contaba con un taller para los procesos de manufactura, los costos de soldadura llegaron a los 45.000 pesos. 28. COSTOS DE ENSAMBLE Los costos de ensamble estn incluidos con los costos de manufactura. DESPERDICIOS (EXPERIENCIAS Y RECOMENDACIONES) Al comprar el material es de mucha ayuda tener claro que cantidad de elementos y material se necesita, de no tenerlo en cuenta se pueden incurrir en errores de exceso o escases, es recomendable comprar un poco mas de lo que se necesita en caso de que se presenten daos en las piezas fabricadas. Una de nuestras piezas tuvo que ser construida de nuevo por un error de dimensionamiento. OTROS GASTOS Se presentaron gastos indirectos por valor de 16.000 pesos en transportes, llamadas telefnicas, impresiones, etc. ANLISIS ECONMICO 29. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El dispositivo para generar sismos a escala es una buena alternativa ante los diferentes equipos disponibles, cumple la misma funcin a pesar de lo sencillez que presenta su diseo, tambin es una alternativa econmica. En proyectos donde no se cuenta con apoyo financiero, el factor econmico influye mucho en el diseo, se puede presentar que debido a este factor sea necesario realizar cambios forzados en el diseo, que tal vez no sea la mejor opcin o las optima. Ante proyectos donde los temas relacionados tienen un alto grado de complejidad, como los relacionados al estudio de la ssmica y la dinmica estructural, lo recomendable es acotar el proyecto de modo que se pueda llegar a soluciones mas sencillas. En proyectos donde se desarrollan equipos de ensayos y de obtencin de datos, lo mas recomendado es consultar con personas especializadas en el tema, consultar del tema con desconocedores del tema puede llevarnos a un mal diseo. 30. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE INGENIERA EMPLEADAS Diseo y desarrollo de nuevos productos enfoque multidisciplinario; Karl T. Ulrich; Mc Graw Hill; tercera edicin. Dinmica estructural aplicada al diseo ssmico; Luis Enrique Garca Reyes. Catalogo de rodamientos de SKF catalogo Hollow structural sections. Steel Tube Institute of North America. Normas Colombianas de Diseo y Construccin Sismo Resistente. NSR-98. Asociacin Colombiana de Ingeniera Ssmica. Mecnica de materiales; Beer, Ferdinand; Mc Graw Hill, segunda edicin. Diseo de maquinaria; Norton, Robert; Mc Graw Hill, tercera edicin. Solid Edge versin 20. 31. MUCHAS GRACIAS Favio Gonzlez Mojica (llanura86@hotmail.com) Jairo Sabogal Martnez (Jasabogalm@unal.edu.co)