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[EL ASCENSOR HIDRÁULICO] Breves conceptos y verificaciones necesarias

Ing. Sebastian Altamiranda

El Ascensor Hidráulico “Verificaciones necesarias”

Ing. Sebastian Altamiranda ([email protected]) Página 2 de 25

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Por su simplicidad para instalar, por los menores requerimientos constructivos y su fácil adaptabilidad a innumerables situaciones, el ascensor hidráulico fue imponiéndose como alternativa casi indiscutida para construcciones de hasta 6 niveles.

Sobre todo en zonas sísmicas, en donde se trata de no realizar cuerpos emergentes, el ascensor hidráulico resultó perfecto, pues por su constitución propia las cargas descargan directamente en la base de la estructura.

En el transcurso de nuestras tareas profesionales hemos dedicado mucho tiempo a inspeccionar instalaciones de todo tipo, sobre todo por pedido de reparaciones de artefactos relativamente nuevos y, con gran decepción, comprobamos que no todas las instalaciones responden a los mismos conceptos técnicos que hacen a la calidad y seguridad de la misma, hasta llegando a observar instalaciones que podemos catalogar como de “peligrosas”.

En general, en gran parte del país no existe reglamentación sobre procesos constructivos o esta es confusa hasta el punto de no ser válida en sí misma. Las normas y recomendaciones emitidas por organismos de estandarización no son de cumplimiento efectivo y/o son de difícil aplicación, en tanto no poseen la adecuada difusión ni existe una tarea de capacitación contínua.

Por parte de los usuarios, se considera al ascensor como un elemento íntegro, lo mismo ocurre para gran parte de quienes son los responsables de los controles. Para agravar el cuadro, en pocas situaciones se solicitan certificaciones de elementos constitutivos y ni que hablar de pedidos sobre verificaciones estructurales o comprobaciones de hipótesis de armado.

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Al pensar al ascensor como un elemento íntegro, auto portante en su totalidad se dejan de lado toda posibilidad del error y hasta se lo aísla de la exo-estructura. El ascensor como un elemento íntegro solo debe de ser verificado en la planta de proceso y ese es el concepto que, observamos, es de común aplicación.

A partir de un pequeño desglose, sobre las principales partes constitutivas de un ascensor hidráulico, se desprenderán las formas de realizar una verificación adecuada de su funcionamiento y, por ende, el aseguro del correcto dimensionamiento del ascensor a instalar en cada obra.

Se dejará de lado en este capítulo la verificación de guías de ascensor y cables de tracción, también el estudio detallado de las conexiones a la estructura.

Se estudiará la estabilidad del equilibrio del pistón y verificarán las presiones que intervienen en el proceso, tanto en el cilindro camisa como en el pistón propiamente dicho, determinaremos la bomba necesaria a partir de las exigencias de velocidad y capacidad, y el volumen de aceite, entre otros conceptos.




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Ascensor Hidráulico

Denominamos ascensor hidráulico a aquel sistema de elevación en que “la fuerza de elevación” es provista por una bomba hidráulica, que impulsa hacia un pistón un fluido hidráulico.

El ascensor hidráulico posee un sistema con pistón que eleva directa o indirectamente al coche, el cual se ubica sobre un bastidor o arcata, de acuerdo al sistema empleado.

Ascensor hidráulico Directo

En el denominado ascensor hidráulico directo, el coche es elevado directamente por la acción del pistón, que actúa sobre el bastidor “directamente”, por lo cual todo el movimiento del pistón deberá cubrir el recorrido completo siendo necesario, entonces, prever una perforación para alojar al pistón cuando la cabina se encuentre en la parada más baja.




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El pistón soporta la totalidad de la carga, descargándolas sobre el bajo recorrido, mediante platabanda que apoya en la losa de este.

Ascensor Hidráulico Indirecto o con relación 2:1

Un ascensor hidráulico directo puede ser ventajoso por su simplicidad y bajo costo relativo y útil para recorridos pequeños; siendo aconsejable para no más de tres paradas o 6 metros de recorrido. La principal desventaja de esta tipología será la limitación de la perforación necesaria, pues habrá sitios en que por la morfología propia del terreno y otros condicionantes, se haga imposible realizar la perforación, como sería el caso de un terreno con napas freáticas

superficiales.

Cuando sea imposible realizar perforación por debajo del bajo recorrido y se quiera instalar un sistema hidráulico, este será provisto de componentes tractores movilizados por el pistón. Hablamos del ascensor hidráulico indirecto o de acción 2:1.

A la izquierda vemos esquema de ascensor directo y a su derecha un ascensor

hidráulico con suspensión 2:1




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En el ascensor hidráulico indirecto, el émbolo levanta a una polea, sobre la que deslizan cables de tracción que levantan a la arcata, sobre la que descansa el coche. De esta forma, al subir el émbolo 1 centímetro, la cabina sube 2. Claramente estamos realizando un efecto multiplicador del principio de pascal de forma “indirecta”. Para recorridos similares el ascensor indirecto movilizará menor volumen de aceite y la potencia del motor podrá utilizarse para movilizar mayor caudal, solo basta aplicar los principios de la hidráulica general para conocer la relación entre los parámetros en juego.




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Partes constitutivas del ascensor hidráulico

Como sistema, al ascensor hidráulico lo podemos considerar compuesto por los siguientes componentes globales generales:

• Estructura de sujeción y estabilidad • Coche • Sistema tractor • Conjunto impulsor y conducción • Sistema de maniobra

Durante este apartado estudiaremos los elementos básicos distintivos de un ascensor hidráulico, estos son: la central hidráulica y su piston, con partes accesorias.

Central Hidráulica

El corazón de todo ascensor hidráulico es su central hidráulica, la cual genera la presión adecuada en el aceite hidráulico para elevar el pistón del cilindro.

La central hidráulica está compuesta por un motor eléctrico que acciona la bomba, impulsando el aceite a presión a través de las válvulas de maniobra y seguridad, por una tubería a un cilindro, cuyo pistón sostiene y empuja la cabina.




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El aceite utilizado como fluido para transmitir el movimiento funciona en un circuito cerrado. La central hidráulica puede considerarse formada por un motor, la bomba, el bloque de válvulas y el depósito de aceite.

El aceite hidráulico

La función del aceite a utilizar en el ascensor hidráulico será la de transmitir la energía transformada por la central hacia el punto a impulsar. Utilizando Pascal: “Toda presión ejercida sobre un líquido confinado es transmitida sin pérdidas por igual a todos los puntos de su masa y actúa con fuerzas iguales sobre áreas iguales”. Para que se cumpla este cometido, entonces, el aceite debe de poder circular fácilmente por el circuito hidráulico con la menor pérdida de carga.

Otra función del fluido hidráulico será la de lubricar y proteger los mecanismos hidráulicos. Esta lubricación interna reducirá la fricción entre los elementos que deslizan, generándose una película debido a la viscosidad del mismo.

El aceite asegurará la estanqueidad del sistema, sellando las pequeñas imperfecciones que pudiera haber, también actuará como refrigerante transportando la energía calórica y disipándola en el recipiente de depósito.

El aceite a utilizar deberá cumplir condiciones de viscosidad y estabilidad tanto térmica como química.




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El Motor

Los motores son del tipo asincrónico con arrancadores estrella triángulo de funcionamiento automático. Sin embargo, los actuales sistemas de control en el arranque consisten en el acoplamiento de una serie de bobinas que se conectan directamente a las borneras de la central en la maniobra de arranque. Estas bobinas están diseñadas para funcionar sumergidas en el aceite sin que generen calor adicional. De esta forma se reduce la intensidad del arranque del orden del doble de la nominal; entre las ventajas de este sistema de arranque podemos mencionar la mayor protección del motor contra los picos de intensidad y la reducción de la potencia requerida.

La Bomba

Las bombas utilizadas en los grupos impulsores son de engranajes, de pistones rotativos o de husillos múltiples, que por su forma silenciosa de actuar es la preferida.

La bomba se acopla directamente sobre el motor, formando un conjunto que se sumerge en el depósito de aceite.




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Presión de trabajo

La presión de trabajo depende de la carga nominal del ascensor y del diámetro del pistón. Generalmente se utiliza una presión de trabajo entre los 2 y los 3 MPa. Recordemos que 1MPa=10,19kf/cm2.

Bloque de válvulas

El bloque de válvulas se instala, generalmente, sobre el depósito de aceite del grupo impulsor. Estas válvulas son de accionamiento electromagnético, abriéndose o cerrándose de acuerdo a los comandos dados por el control de maniobras electrónico del ascensor.

Con el bloque de válvulas se puede regular desde la velocidad del elevador hasta la forma en que este arranque o se detenga, muy importante es que se cuente con válvula de paracaídas.

Depósito de aceite

El aceite necesario para el accionamiento del ascensor hidráulico descansa en un depósito, cuya capacidad excede al estrictamente necesario. Suele estar fabricado en chapa de acero.

El depósito de aceite también contiene en su interior a la bomba y al motor eléctrico, en caso de ser uno del tipo sumergido (el más




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eficiente). Por lo que mantener el nivel de aceite adecuado, lo mismo que el correcto cálculo del volumen necesario, hará que se cumpla la vida útil del motor; evitando sobrecalentamiento, fricciones innecesarias o el reflujo de aire.

Pistón hidráulico.

El cilindro y su pistón constituyen el accionamiento del ascensor. Distinguimos dos diferentes tipologías de accionamiento hidráulico:

De acción directa, en donde la cabina es impulsada directamente por el pistón.

A, Brida de fijación B, Cilindro C, Disco de deslizamiento D, Pistón E, Anillo de tope F, Aro de contención




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De acción indirecta, donde la cabina es impulsada por el pistón por medio de cables. Usualmente se utiliza una suspensión 2:1, aunque mediante poleas móviles se ha llegado a utilizar hasta 4:1.

También se puede identificar a los ascensores mediante las diferentes formas de empujarlos:

De Tiro directo lateral: el pistón apoya en el foso cerca de una pared, empuja al bastidor desde la parte superior.

De tiro Directo Central: el pistón está enterrado y empuja al bastidor de la cabina desde abajo.

Constitución del pistón hidráulico

El cilindro es un tubo de acero que se instala verticalmente. Su extremo superior está cerrado y el inferior se encuentra abierto. Está constituido por:

• La cabeza del cilindro se encuentra soldada, en ella se fija un anillo sellador con guarniciones que constituyen la estopada y que ajusta con el pistón que se mueve, deslizándose por el interior del cilindro.

• Un racor para el acople • Un anclaje para fijar el cilindro sobre el foso. • Una bandeja para recoger el aceite que arrastra el pistón al subir.

Si el cilindro es muy largo se suele fabricar en dos o más secciones que se roscan entre sí en obra. El pistón está formado por un tubo de acero




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estirado en frío, mecanizado, rectificado, pulido y bruñido a 2 micras.

El cilindro lleva un aro roscado en su extremo inferior para evitar su eventual salida del cilindro.

Si el pistón es muy largo, puede fabricarse en secciones de forma similar al cilindro, uniéndose mediante rosca en obra.

Si el ascensor es de acción directa, la parte superior del émbolo empuja el bastidor de la cabina a través de un acoplamiento con una rótula esférica que absorbe las variaciones del nivel del suelo de la cabina sin transmitirlas al pistón. La placa de la rótula se fija al bastidor por medio de tacos elásticos para evitar la transmisión de vibraciones. Esto también evitará desgastes anormales en el pistón.

En el caso de un ascensor indirecto, el émbolo empuja una polea y la unión de la cabina con el émbolo es flexible por medio de cables de suspensión o tracción.

Bruñido de un cilindro. Efecto de acabado superficial que luego incrementará su dureza y librara de imperfecciones su superficie




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Dimensionado de Ascensores Hidráulicos

De vital importancia será la verificación de los elementos constitutivos del ascensor hidráulico sometidos a las acciones de servicios.

Cálculos y Verificaciones

Como punto de partida para la comprobación y verificación de un ascensor hidráulico, desde el proyecto mismo de la cabina podremos estimar la capacidad de carga, siguiendo lineamientos normativos. Desde aquí ya será fácil estimar los pesos propios de la estructura.

Por ejemplo, para un ascensor tipo, con capacidad de carga de 450 kg (6 personas), tendríamos:

• Carga útil 450 kg • Cabina, puertas 300 kg • Bastidor 300 kg • Arcatina 100 kg • Pistón 150 kg (8 metros) • piso, revestimiento 100 kg • Cables, otros 50 kg

Afectamos a la carga útil por coeficiente de seguridad de 2, entonces, estimamos que el peso a levantar será de:

QT= 900 + 300 + 300 + 100 + 100 + 150 + 50 QT= 1900 kg.




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Recorrido del Pistón

En los casos de ascensores con acción directa, la longitud del pistón será la del recorrido más 60 centímetros. Y para los casos de acción indirecta, la longitud del pistón será la de la mitad del recorrido más 30 centímetros.

Superficie hidráulica del Pistón

La presión de trabajo aconsejada, para el caso de ascensores hidráulicos es de 2,8MPa (28 kg/cm2).

• Ap: superficie hidráulica del pistón • QT: carga total de cálculo • Pt: presión de trabajo

Sabemos que obtenemos la magnitud presión dividiendo una carga sobre la superficie de aplicación de la misma: p=Q/A, entonces:

Ap=QT/Pt

Para el caso del ejemplo anterior: Ap= 1900 / 28 cm2= 67,86 cm2

De cualquier tabla con propiedades físicas de elementos geométricos obtenemos que el pistón necesario, para este ejemplo. Escogemos un pistón con diámetro de 100 mm de diámetro y sección de 78,50 cm2.

Espesor de la pared del pistón

Para el cálculo del espesor de las paredes supondremos una presión máxima de 40 kg/cm2.




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De la mecánica de fluidos obtenemos que:

𝐷𝐷𝑑𝑑

= � (tadm +0,4 pm áx)(tadm −1,3 pm áx)

(Fórmula de Bach)

Esta fórmula solo es válida si se cumple: pmáx < (σadm/1,3)

• D: diámetro exterior del cilindro • d: diámetro interno del cilindro • σadm: tensión admisible del material • pmáx: presión máxima de servicio

En estos casos, el coeficiente de seguridad a adoptar es de 5.

Acero Grado Resistencia a la tracción

Rm

Límite de fluencia

Re

Alargamiento en 50 mm

Kgf/mm2 Mpa Kgf/mm2 Mpa % A37-24ES 37 363 24 235 22 A42-27ES 42 412 27 265 20 A52-34ES 52 510 34 324 18

Seleccionamos el Acero A52, cuyo límite elástico es de 340 MPa, por lo tanto:

σadm= 324/5= 64,8 MPa

Verificamos que pmáx < (σadm/1,3)

40 < 64,8/1,3 = 49,85 por lo tanto verifica.

𝐷𝐷𝑑𝑑

=� (tadm + 0,4 pmáx)

(tadm − 1,3 pmáx)




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𝐷𝐷𝑑𝑑

=� (64,8 + 0,4 x 4)(64,8 − 1,3 x 4)

𝐷𝐷/𝑑𝑑 = √(66,4/59,6) = 1,056

D=1,056 x d

Adoptamos d=100mm, entonces: D = 105,6mm.

El espesor e = (D-d)/2= (105,6-100)/2 = 2,80mm

Adoptamos

D = 114,30 mm

e = 3,20 mm

d = 107,9 mm




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Cálculo del espesor mínimo del fondo del cilindro.

El espesor del fondo del cilindro debe de resistir la presión máxima. Como la unión del fondo al tubo se realiza mediante soldadura, el espesor viene determinado por:

h = 0, 45 x d x √(Pmax/tadm)

En donde,

ESPESOR PESO AREA DE LA SECCIÓN

MOMENTO DE INERCIA

MÓDULO RESISTENTE

RADIO DE GIRO

e I W

PULGADAS

Inches

1.60 3.946 5.027 64.016 12.602 3.569

2.00 4.913 6.258 79.076 15.566 3.555

2.50 6.110 7.783 97.386 19.171 3.537

3.20 7.765 9.892 122.083 24.032 3.513

4.75 11.345 14.452 173.020 34.059 3.460

6.35 14.916 19.002 220.473 43.400 3.406

1.60 4.447 5.665 91.630 16.033 4.022

2.00 5.539 7.056 113.336 19.831 4.008

2.50 6.893 8.781 139.811 24.464 3.990

3.20 8.768 11.169 175.676 30.739 3.966

4.75 12.833 16.348 250.269 43.792 3.913

6.35 16.905 21.535 320.628 56.103 3.859

1.60 4.948 6.303 126.224 19.878 4.475

2.00 6.165 7.854 156.290 24.613 4.461

2.50 7.676 9.778 193.056 30.403 4.443

3.20 9.770 12.446 243.031 38.273 4.419

4.75 14.321 18.243 347.661 54.750 4.365

6.35 18.894 24.096 447.319 70.444 4.311

3.20 10.772 13.722 325.722 49.632 4.872

4.75 15.808 20.138 467.531 66.934 4.818

6.35 20.883 26.602 603.666 86.423 4.764

TUBOS REDONDOS

4 1/2" 114.30

5" 127.00

5 1/2" 139.70

4" 101.60

cm2 cm4 cm3 cm

DIMENSIÓN

D

mm mm kg/m




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• h: espesor del fondo del cilindro • Pmáx: presión máxima de servcio • σadm: tensión adminisble del material • d: diámetro interior de soldadura

h = 0, 45 x 107,9 x √(4 /64,8) = 12,064 mm

Adoptamos un espesor de fondo de 20 mm.

Cálculo del pistón a compresión

Como el pistón es un elemento estructural sometido a cargas en su extremo superior, debemos de realizar la comprobación de la estabilidad de equilibrio o pandeo. Utilizamos la expresión de Euler:

π 2 x E x J = gs x L2 x Qt

• E: módulo de elasticidad del acero (210 GPa) • J: momento de inercia de la sección del pistón • gs: coeficiente de seguridad • L: recorrido del pistón • Qt: Carga total, en nuestro caso será: 1900 kg

π 2 x E x J = gs x L2 x Qt =3 x 8302 x 1900 = 3926 730 000




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Pistón (Dxd) mm

espesor mm J cm4 Ap cm2 Peso

(kg/m) π2EJ

80 70 5,0 83,20 50,26 9,27 1.724.338.112 80 65 7,5 113,44 50,26 13,45 2.350.936.641 90 80 5,0 121,00 63,62 10,50 2.507.665.750 90 75 7,5 166,74 63,62 15,28 3.455.733.803

100 90 5,0 168,81 78,54 11,73 3.498.524.347 100 85 7,5 234,63 78,54 17,15 4.862.671.626 110 100 5,0 227,81 95,03 12,96 4.721.329.309 110 95 7,5 318,86 95,03 19,00 6.608.373.219 130 120 5,0 384,10 132,73 15,42 7.960.439.958 130 115 7,5 543,43 132,73 22,75 11.262.560.160 150 138 6,0 704,76 176,71 21,35 14.606.116.766 150 130 10,0 1083,04 176,71 34,60 22.445.897.411 180 160 10,0 1935,96 254,46 42,50 40.122.652.007 200 180 10,0 2700,92 314,15 46,89 55.976.389.555 230 200 15,0 5882,54 415,47 79,59 121.915.282.434

Seleccionamos (100 x 85 x 7,5) el cual satisface el requerimiento de Euler.

Espesor mínimo del fondo del pistón

Para verificar el espesor mínimo del fondo que resista la presión máxima, nuevamente utilizamos la ecuación de Bach, que involucra el diámetro interior de la soldadura.

Espesor h = 0,45 x 85 mm x √(4/68)




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h= 9,27 mm

Adoptamos h=15mm

Verificamos nuestra hipótesis del peso propio del pistón:

Peso = 8,30m x 17,15 kg/m = 142,35 kg que es menor al presupuesto de 150 kg.

Resumen del cilindro y pistón seleccionado

• Cilindro o Diámetro exterior: 139,7mm o Espesor de pared del cilindro: 5mm o Espesor del fondo: 20mm

• Pistón o Recorrido: 8,3m o Diámetro exterior: 100mm o Diámetro interior: 85mm o Espesor de pared: 7,5mm o Espesor de fondo: 15mm o Superficie Hidráulica 78,54cm2

Bomba – Presión de trabajo

La presión de trabajo a suministrar por la bomba será Pt

Pt = (QT / Ap) x 1,1

Donde




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• QT: carga total de cálculo • Ap: Superficie hidráulica del pistón

Entonces, Pt = 1900 / 78,54 x 1,1 = 26,61 kg/cm2.

Caudal de la bomba

C= v A

En donde v: es la velocidad del fluido y A la sección transversal de la conducción o conducto. Por lo que debemos de adoptar una velocidad deseada. Para el caso de un ascensor hidráulico indirecto, recordemos que la velocidad de la cabina será el doble de la velocidad del fluido.

Cd = Ap x v

Donde

• Cd: caudal (l/min) a suministrar por la bomba • Ap: Superficie hidráulica del pistón (cm2) • v: velocidad deseada en la cabina (m/seg)

Cd = 78,5 cm2 x 1500 cm/min = 117750 cm3/min = 117,75 l/min.

Adoptamos una bomba estándar de 125 litros / minutos. Entonces, la velocidad verdadera del ascensor será:

Vr = Cd / Ap = 2 x 150000 cm3 / min / 78,5 cm2 = 3821,65 cm/min

Vr= 38,22 m/min




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Potencia máxima del motor a plana carga

La potencia máxima del motor absorbida a plena carga será:

P = Cd x pt / 450 /ηT

• P: potencia en CV • Cd: caudal de la bomba en litros / minutos • pt: presión de trabajo en kg/cm2 • ηT: rendimiento total de la bomba, supondremos del 80%.

Para el caso de nuestro ejemplo será:

P = 150 x 27 / 450/0,8 = 11,25 CV.

Equivalencias 1 CV = 0,9863 HP = 735,50 W ≈ 0,7355 KW

P = 12,83 HP

Seleccionamos una bomba estándar de 13HP

Cantidad de aceite

Conociendo el diámetro interior del cilindro y su recorrido máximo, tendremos que

El Volumen de aceite del cilindro V1=A1xh1

• A1: superficie interior del pistón • h1: recorrido del pistón

Para nuestro ejemplo:




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V1= π x (1,3dm)2 /4 x 83 dm = 65,2 dm3 = 110,17 litros

Supondremos entre la central y el pistón una conducción de 40mm y de 3 metros de longitud.

V2= π x 0,42 / 4 x 30 = 3,8 litros

Redondeando, el volumen total requerido es de 114 litros.

Prevemos una reserva del 30% del volumen necesario, por lo que el reservorio tendría una capacidad de 150 litros (tomando valores estándares).




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Este capítulo está dedicado a entender los principios de diseño y funcionamiento básicos del elevador más empleado en construcciones de hasta 4 niveles.

Se encuentra dirigido al usuario, entendiendo por ellos a los profesionales de la construcción encargados de diseñar y proyectar una edificación y dotarla de las instalaciones necesarias para que cumpla sus cometidos.

No buscamos ni pretendemos que un arquitecto o ingeniero, profesionales entendidos de la construcción, generen un proyecto de ascensor, sino más bien, la intención es dar luz y puntos de control para que el seleccionar un ascensor o determinar la propuesta más conveniente no sea realizada al azar o por la mera confianza en el proveedor, sino más bien sea el resultado de una evaluación técnica acertada y acercada a las posibilidades técnicas actuales.

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