evaluaciÓn estructural de las torres de soporte de

EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DE LAS TORRES DE SOPORTE DE TOBOGANES Y ESTRUCTURAS DE JUEGOS INFANTILES INTERACTIVOS

FABRICADOS POR DOFORMAS LTDA

DANIEL ALEJANDRO RUIZ ORTIZ

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI 2017

EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DE LAS TORRES DE SOPORTE DE TOBOGANES Y ESTRUCTURAS DE JUEGOS INFANTILES INTERACTIVOS

FABRICADOS POR DOFORMAS LTDA

DANIEL ALEJANDRO RUIZ ORTIZ 2127083

Pasantía Institucional para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director HÉCTOR ENRIQUE JARAMILLO SUÁREZ, PhD

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA SANTIAGO DE CALI

2017

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico.

EDIGUER ENRIQUE FRANCO G.

Jurado

Santiago de Cali, 2 de octubre de 2017

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A mi familia, por ser mi fortaleza, darme la vida y la oportunidad de formarme profesionalmente con tanto esfuerzo y sacrifico. A mis amigos, porque me han brindado su apoyo incondicional en todo momento. Creyeron de mí, cosas que yo jamás habría creído… A todas y cada una de las personas que de alguna u otra manera, contribuyeron a que lograra esta meta que me propuse en la vida, y que me ha permitido crecer intelectualmente como persona y como ser humano. Daniel

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AGRADECIMIENTOS

Aprovechamos esta oportunidad para expresar el más profundo y sincero agradecimiento a la Universidad por su formación profesional impartida, y a todas aquellas personas que con su ayuda han colaborado en la realización del presente trabajo, por la orientación, el seguimiento y la supervisión continúa, pero sobre todo por la motivación y el apoyo recibido a lo largo de estos años. Muchas gracias.

Daniel

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CONTENIDO

Pág.

RESUMEN INTRODUCCION 15 1. OBJETIVOS 17 1.1 OBJETIVO GENERAL 17 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 17 2. MARCO TEÓRICO 18 2.1 TOBOGANES ACUÁTICOS 18 2.1.1 Estructuras metálicas 18 2.1.2 Fabricación de toboganes 19 2.1.3 Instalación de toboganes 20 2.1.4 Lamina de acero 20 2.2 JUEGOS INTERACTIVOS ACUÁTICOS 20 2.2.1 Componentes del Juego Interactivo 21 2.2.2 Fabricación de juegos interactivos 21 2.3 ANÁLISIS CON EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) 22 3. CARACTERIZACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS UTILIZADAS COMO SOPORTE PRINCIPAL EN TOBOGANES Y JUEGOS INFANTILES 23 3.1 BRAZOS METÁLICOS 23 3.2 TORRE PRINCIPAL DE SOPORTE 25

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4. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS 31 4.1 TORRES ESTRUCTURALES DEL TOBOGÁN 31 4.2 JUEGO A-50 33 4.2.1 Módulo 1 33 4.2.2 Módulo 2 34 4.2.3 Módulo 3 35 4.2.4 Módulo 4 35 4.2.5 Módulo 5 36 5. DIAGNÓSTICO DE LAS ESTRUCTURAS ACTUALES 38 5.1 ANÁLISIS DE LA TORRE ESTRUCTURAL 38 5.2 ANALISIS JUEGO A-50 43 6. DISEÑO Y ANÁLISIS IMPLEMENTANDO NUEVOS ESPESORES 48 6.1 OPTIMIZACIÓN DE ESTRUCTURAS CON DIFERENTES DIMENSIONES 48 6.1.1 Optimización de estructura de tobogán con diferente calibre 48 6.1.2 Optimización de estructura de los juegos infantiles con diferente espesor 48 6.2 ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS CON DIFERENTES DIMENSIONES 48 6.2.1 Análisis de la optimización de la estructura principal del Tobogán 48 6.2.2 Análisis de la optimización de la estructura de Juego Infantil 52 7. EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DE LAS ESTRUCTURAS ACTUALES VS LAS ESTRUCTURAS PROPUESTAS 56 7.1 ESTRUCTURA PRINCIPAL DEL TOBOGÁN 56

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7.2 ESTRUCTURAS DEL JUEGO A-50 58 8. EVALUACIÓN ECONÓMICA 61 8.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL DEL TOBOGÁN 61 8.2 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA ESTRUCTURA DEL JUEGO INFANTIL A-50 62 9. CONCLUSIONES 65 10. RECOMENDACIONES 67 BIBLIOGRAFÍA 68

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LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Dimensiones tuberia por modulos 28 Tabla 2. Características del proceso de enmallado 39 Tabla 3. Características del proceso de enmallado 44 Tabla 4. Características del proceso de enmallado 48 Tabla 5. Características del proceso de enmallado 52 Tabla 6. Características torre principal actual 56 Tabla 7. Resultados Simulación torre principal actual 56 Tabla 8. Características torre principal de la optimización del diseño 57 Tabla 9. Resultados simulación de la optimización de la torre principal 57 Tabla 10. Características estructuras actuales juego A-50 58 Tabla 11. Resultados Simulación estructuras actuales juego A-50 58 Tabla 12. Características estructuras optimizadas del juego A-50 59 Tabla 13. Resultados de la simulación de las estructuras optimizadas del juego A-50 59 Tabla 14. Características de las estructuras actuales de los toboganes 61 Tabla 15. Características de las estructuras optimizadas de los toboganes 61 Tabla 16. Características de las estructuras actuales del juego A-50 63 Tabla 17. Características de las estructuras optimizadas del juego A-50 63

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LISTA DE PLANOS

Pág.

Plano 1. Plano Brazo metálico 24

Plano 2. Torre Principal metálica 25

Plano 3. Ficha Técnica Para Fabricación 30

Plano 4. Piezas de la torre estructural con doble caracol 32 Plano 5. Curva de tobogán 32

Plano 6. Vista del juego A-50 por módulos 33

Plano 7. Vista del módulo 1 Juego A-50 34 Plano 8. Vista del módulo 2 del juego A-50 34 Plano 9. Vista del módulo 3 del juego A-50 35 Plano 10. Vista del módulo 4 del juego A-50 36 Plano 11. Vista del módulo 5 del juego A-50 36

Plano 12. Balde del módulo 5 del juego A-50 37

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LISTA DE GRAFICOS

Pág.

Grafico 1. Comparativo de precios de las estructuras del tobogán 62 Grafico 2. Comparativos de precios del juego completo A-50 64

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Toboganes 15 Figura 2. Juegos realizados en tubería Galvanizada 15

Figura 3. Torre de Soporte 19 Figura 4. Juego interactivo A-50 21 Figura 5. Tramo de la torre de diámetro de 63cm 26 Figura 6. Tubería para los juegos interactivos 27 Figura 7. Juego A-50 en Solidworks 27

Figura 8. Torre estructural con doble caracol 31

Figura 9. Modelo de la torre principal del tobogán 38

Figura 10. Resultado esfuerzo de Von Mises Primera simulación 40 Figura 11. Desplazamiento de la torre principal primera simulación 41 Figura 12. Desplazamiento de la torre principal segunda simulación 41 Figura 13. Resultado del esfuerzo de Von Mises Segunda simulación 42 Figura 14. Desplazamiento de la torre principal tercera simulación 42

Figura 15. Resultado del esfuerzo de Von Mises Tercera simulación 43 Figura 16. Diseño en SolidWorks del módulo 5 44 Figura 17. Cargas en la estructura del juego A-50 45

Figura 18. Resultado del esfuerzo de Von Mises 46 Figura 19. Desplazamiento en el juego A-50 46

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Figura 20. Resultado del esfuerzo de Von Mises primera simulación 49 Figura 21. Desplazamiento de la torre principal primera simulación 49 Figura 22. Resultado del esfuerzo de Von Mises Segunda simulación 50 Figura 23. Desplazamiento de la torre principal segunda simulación 50 Figura 24. Desplazamiento de la torre principal tercera simulación 51

Figura 25. Resultado del esfuerzo de Von Mises tercera simulación 51

Figura 26. Adición de cargas a la estructura del juego A-50 53 Figura 27. Resultado del esfuerzo de Von Mises 54

Figura 28. Desplazamiento del juego A-50 54

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RESUMEN

Este trabajo tuvo como objetivo evaluar las estructuras de las torres de soporte de toboganes y las estructuras de juegos infantiles interactivos de manera que cumpla con estándares de seguridad, proporcionando fiabilidad para su adecuado uso de la empresa DOFORMAS LTDA, utilizando el método de elementos finitos. Las estructuras de los toboganes son fabricadas con láminas de acera A-63, y los juegos interactivos son construidos con tubería de acero al carbón de 4”, por lo cual se realizó una implementación de las estructuras en Solidworks como modelos CAD. Se implementaron condiciones de frontera determinando las cargas a las cuales estaban expuestas las estructuras, análisis que se realizó en el programa Autodesk Simulation. Cada análisis fue implementado realizando variaciones en las zonas donde tendría mayores afectaciones las estructuras. En una etapa inicial se simularon tres casos de las estructuras actuales de los toboganes, realizando la implementación de cargas en los brazos superiores de la estructura, y una simulación de la estructura actual de juego interactivo A-50. En la evaluación de las estructuras se encontraron esfuerzos concentrados en las zonas donde se presentaban las mayores cargas por operación, posteriormente se realizaron optimización de espesores para disminuir costos, por lo que se debió realizar nuevas simulaciones evidenciando la concentración de esfuerzos en la mismo sector que la simulación inicial. Finalmente, se obtuvo como resultado, que presentando una optimización de espesores tendrá las suficientes propiedades mecánicas para soportar las cargas de operación a las cuales están expuestas y brindaría a la empresa una reducción de costos en la compra de materia prima. Palabras Clave: Elementos finitos. Desplazamiento. Esfuerzo. Tobogán. Juego interactivo. Acero A-63. Acero al Carbón. Fibra de Vidrio.

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INTRODUCCION Este proyecto está orientado a solucionar la necesidad que tiene la empresa Doformas Ltda, de mejorar la eficiencia y calidad de sus productos. Ubicada en la zona norte de la ciudad de Cali, DOFORMAS LTDA es una empresa dedicada al diseño y construcción de parques acuáticos, que opera nacional e internacionalmente, siendo una empresa que busca promover la diversión de las personas, ofreciendo sus servicios a los diferentes parques acuáticos en Latinoamérica. La empresa diseña toboganes que varían entre 6 a 15 metros de altura dependiendo de las especificaciones del cliente (Figura 1), y juegos infantiles para piscinas (Figura 2). Figura 1. Toboganes

Fuente: Departamento de diseño Doformas. Parque de la Caña. Santiago de Cali Figura 2. Juegos realizados en tubería Galvanizada

Fuente: Juego A-50 Piscina Deportivo Cali. Santiago de Cali

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La empresa se creó hace 25 años y comenzó con la construcción de pequeños toboganes, y es ahí donde aparece su primer problema, que busca responder a la incógnita de ¿cómo realizar el diseño y análisis de las estructuras, que soportara un tobogán creado en fibra de vidrio, teniendo en cuenta la seguridad de los usuarios? La empresa utiliza las mismas estructuras tubulares con costos muy elevados para las torres centrales de los toboganes, y tubería en acero galvanizado para la fabricación de los juegos infantiles y se requiere buscar una forma de disminuir los costos de dichas estructuras. Durante la construcción de toboganes y juegos infantiles, se detectó que las estructuras de los toboganes podrían soportar mayores cargas. En busca de solucionar este tipo de problema, se implementó el diseño de

modelos CAD (Computer Aided Design) en el Software 𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑊𝑜𝑟𝑘𝑠𝑇𝑀 (SolidWorks Corp., Waltham, Massachusetts, EE. UU) de estructuras y juegos infantiles, realizando un análisis y diagnóstico inicial de las estructuras utilizadas por la empresa. Se realizaron nuevos diseños para disminuir los costos de fabricación y solucionar el sobredimensionamiento de las estructuras actuales, por lo que se realizó el análisis comparativo de los resultados obtenidos de un análisis de elementos finitos, para finalmente establecer una disminución de costos de las estructuras actuales.

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1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL Evaluar las estructuras de las torres de soporte de toboganes y las estructuras de juegos infantiles interactivos de manera que cumpla con estándares de seguridad, proporcionando fiabilidad para su adecuado uso. A partir del objetivo general se plantearon los siguientes objetivos específicos. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Caracterizar las estructuras utilizadas como soporte principal en los toboganes y juegos infantiles actualmente en la empresa

Analizar la resistencia mecánica de las estructuras existentes para soporte de toboganes y estructura de juegos infantiles interactivos.

Analizar las cargas a las cuales serán sometidas las estructuras que hacen de soportes principales de los toboganes y las cargas a las cuales está sometido los juegos infantiles.

Presentar diseños alternativos de las estructuras comparándolas con las estructuras actuales.

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2. MARCO TEÓRICO 2.1 TOBOGANES ACUÁTICOS Los toboganes acuáticos son construcciones que se realizan para brindar diversión dentro de parques acuáticos, su fabricación está regulada por la norma ASTM F 2376 y son realizados con fibra de vidrio para disminuir su peso, costo de fabricación y brindar menor fricción entre el usuario y la canaleta de deslizamiento, adicional a esto es necesario que sobre su superficie corra una película de agua para favorecer el deslizamiento del usuario. Las piezas de fibra de vidrio van soportadas sobre unas estructuras metálicas que se encuentran ancladas al suelo.1 2.1.1 Estructuras metálicas. (Figura 3) Estructuras tubulares que son fabricadas en lámina de acero A-36 doblada al diámetro requerido, y lleva un cordón de soldadura longitudinal. La empresa utiliza tramos con una longitud de uno y dos metros, los cuales serar posteriormente articulados segun el requerimiento presentado por cada proyecto. A estas estructuras se les adiciona por medio de soldadura uno brazos metalicos de perfil rectangular, que son ubicados de acuerdo al requerimiento de cada proyecto.

1 Tobogán acuático [en línea]. Wikipedia [Consultado el 20 de agosto de 2015]. Disponible en

internet: https://es.wikipedia.org/wiki/Tobog%C3%A1n

https://es.wikipedia.org/wiki/Tobog%C3%A1n

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Figura 3. Torre de Soporte

2.1.2 Fabricación de toboganes. Los toboganes son conformados con la unión de diferentes piezas las cuales pueden ser: bañera, pieza convexa, pieza cóncava, pieza recta, pieza curva o pieza de llegada, las que permitirán dar las pendientes requeridas para determinar su velocidad y dirección, estas piezas se fabrican a

partir de un diseño realizado en el Software 𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑊𝑜𝑟𝑘𝑠𝑇𝑀 (SolidWorks Corp., Waltham, Massachusetts, EE. UU) el cual se plasma en un modelo fabricado en madera.2 Se aplica una capa de cera sobre el modelo para facilitar el des moldeamiento, a la cual se le adiciona una capa de Gel coat mezclada con un catalizador al 3% para posteriormente realizar una laminación mediante proyección, la cual consiste en cortar en pequeños trozos el hilo de fibra de vidrio que será esparcido con una pistola neumática, que se encargará de dispensar al mismo tiempo la cantidad requerida de catalizador y resina.3 Se dispone a dejar la pieza a temperatura ambiente para que realice el proceso de curado el cual tomara un tiempo entre 2 y 3 horas, pero se debe realizar en el trascurso de la primera hora el corte de los sobrantes de la pieza.

2 Proceso de fabricación de piezas en fibra de vidrio [en línea]. stp.insht [Consultado el 7 de enero

de 2017]. Disponible en internet: http://stp.insht.es:86/stp/content/anexo-1-fabricaci%C3%B3n-de-productos-de-pl%C3%A1stico-reforzado-con-fibra-de-VIDRIO 3 Ibíd., 14p. Disponible en internet: http://stp.insht.es:86/stp/content/anexo-1-fabricaci%C3%B3n-

de-productos-de-pl%C3%A1stico-reforzado-con-fibra-de-VIDRIO

http://stp.insht.es:86/stp/content/anexo-1-fabricaci%C3%B3n-de-productos-de-pl%C3%A1stico-reforzado-con-fibra-de-VIDRIO




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Cuando la pieza haya terminado el proceso de curado se procede a sacar la pieza del modelo y de esta manera obtener el molde. Con el molde se repite el proceso anterior, para obtener la pieza que será utilizada en la construcción del tobogán.4 2.1.3 Instalación de toboganes. La instalación de toboganes se realiza en el lugar donde se ha destinado el proyecto, en el cual se marcan puntos de acuerdo con plano de instalación y se construyen los dados en concreto donde se anclarán las estructuras metálicas. Sobre las estructuras se juntan las piezas del tobogán, las cuales son unidas con tornillería y cinta 3M para realizar un sellado entre cada pieza y de esta manera evitar las fugas de agua. 2.1.4 Lamina de acero. La obtención de la lámina de acero se hace por medio de un proceso de laminación en caliente, en el cual se introduce el lingote de acero en un horno para elevar su temperatura entre 900 °C y 1200 °C, para posteriormente ser aplastado por una serie de rodillos que le darán el largo, ancho y espesor esperado.5 2.2 JUEGOS INTERACTIVOS ACUÁTICOS Son juegos diseñados que le permiten al usuario interactuar y disfrutar del producto final, en donde el atractivo principal es la interacción del usuario con el agua que circula a través del juego. (Figura 4)

4 Proceso de fabricación de piezas en fibra de vidrio. Op. cit Disponible en Internet:

http://stp.insht.es:86/stp/content/anexo-1-fabricaci%C3%B3n-de-productos-de-pl%C3%A1stico-reforzado-con-fibra-de-VIDRIO 5 Laminación en caliente [en línea] mayores.uji. [Consultado el 1 de septiembre de 2017].

Disponible en Internet: http://mayores.uji.es/blogs/antropmorve/2011/12/25/siderurgia-laminacion-en-caliente-2/



http://mayores.uji.es/blogs/antropmorve/2011/12/25/siderurgia-laminacion-en-caliente-2/

http://mayores.uji.es/blogs/antropmorve/2011/12/25/siderurgia-laminacion-en-caliente-2/

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Figura 4. Juego interactivo A-50

Fuente: Departamento de diseño DOFORMAS LTDA.- Proyecto deportivo Cali – agosto 2015 2.2.1 Componentes del Juego Interactivo. El juego se compone de diferentes piezas (Figura 4) que en su mayoría son construidas por medio de procesos metalúrgicos y su componente principal es tubería de acero al carbono de 4” de diámetro, sin embargo, algunos componentes son constituidos principalmente en fibra de vidrio, como lo son:

Pisos

Toboganes hidro-tubo

Balde

Techo 2.2.2 Fabricación de juegos interactivos. La fabricación de los juegos se realiza

a partir de un diseño elaborado en el Software 𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑊𝑜𝑟𝑘𝑠𝑇𝑀 (SolidWorks Corp., Waltham, Massachusetts, EE. UU), con los planos obtenidos, se determinarán las modificaciones, cortes o uniones necesarias en la tubería de acero al carbón de 4” utilizada actualmente por la empresa.

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Después de realizadas las modificaciones las partes del juego reciben un proceso de galvanizado, pintura y acabado. Con las piezas listas se realiza un pre-ensamble para perfeccionar imperfecciones antes de ser enviado al sitio de obra. 2.3 ANÁLISIS CON EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) En la industria de Colombia se presentan a diario diferentes problemas de ingeniería, los cuales deben ser solucionados para encontrar un mejor desarrollo en los proyectos presentados.6 En la mayoría de los casos, los problemas están asociados a complicadas ecuaciones diferenciales o integrales, ya que estas presentan geometrías y condiciones de frontera que dificultan encontrar una solución matemática exacta. En búsqueda de soluciones más exactas se implementan técnicas numéricas como lo es el MEF (método de elementos finitos), el cual consiste en dividir la geometría a evaluar en pequeños elementos.7 Estos elementos estarán conectados entre sí por nodos, los cuales se encuentran unidos para formar una malla, y es en la cual se realizan los cálculos requeridos para solucionar el problema, en el cual el análisis se ve orientado en resolver los desplazamientos y deformaciones dentro de un problema de mecánica de sólidos.8

6 MAXIMO, Alejandro, GARZÓN, Diego.- Introducción al modelamiento por elementos finitos

Elementos finitos. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica. 2002. p 145. 7 Método de elementos finitos. [en línea]. Wikipedia [Consultado el 20 de agosto de 2015].

Disponible en internet: https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todo_de_los_elementos_finitos#Introducci.C3.B3n 8 MAXIMO, Alejandro, GARZÓN, Diego. Op. cit, 123p.

https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todo_de_los_elementos_finitos#Introducci.C3.B3n

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3. CARACTERIZACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS UTILIZADAS COMO SOPORTE PRINCIPAL EN TOBOGANES Y JUEGOS INFANTILES

Para la evaluación de estructuras de toboganes y juegos infantiles se

desarrollaron modelos CAD usando el software 𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑊𝑜𝑟𝑘𝑠𝑇𝑀 (SolidWorks Corp., Waltham, Massachusetts, EE.UU) Se realizó la caracterización y creación de los modelos de:

Brazos metálicos

Torre principal de soporte

Estructuras Juego Interactivo A-50 3.1 BRAZOS METÁLICOS Perfiles Rectangular en acero A-36 con las siguientes dimensiones (Plano 1).

ALTO 0.12 METROS

ANCHO 0.06 METROS

ESPESOR 2.5 MILIMETROS

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Plano 1. Plano Brazo metálico

Fuente: Departamento de diseño DOFORMAS LTDA Para la fabricación de los brazos metálicos la empresa compra tubería rectangular con las dimensiones anteriormente especificadas y con una longitud total de 6 metros, cada brazo metálico tiene una dimensión total de 6,13 metros. Estos brazos se fabrican con equipo de soldadura el cual permite su unión o su corte en caso de ser necesario. Posterior a su fabricación se prepara y se pintan para ser unidos a las torres estructurales. Debido a su tamaño no se realiza proceso de galvanizado, pero se aplica capas de pintura anticorrosiva para proteger el material.

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3.2 TORRE PRINCIPAL DE SOPORTE Plano 2. Torre Principal metálica

Fuente: departamento de diseño DOFORMAS LTDA Para la fabricación de tubería de 63 cm de diámetro se utiliza lámina de acero A36 de 6 mm de espesor. La empresa Doformas Ltda. Utiliza láminas para la fabricación de pequeños tramos para la construcción de torres estructurales (Figura 5). Para el proceso de fabricación de las torres estructurales la empresa compra las láminas de acero y las envía a una dobladora, lugar donde por medio de un proceso de doblado adquiere la forma cilíndrica y se dejan punteando con

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soldadura, para posteriormente ser recibidas en la empresa y se procede a realizar el cordón de soldadura para perfeccionar la unión del doblado de la lámina. Después de este proceso se obtienen tramos de tubo, los cual será unidos posteriormente de acuerdo con la necesidad de cada proyecto, ya que dependen de factores como la altura del tobogán, o la complejidad del terreno donde esté ubicado. Figura 5. Tramo de la torre de diámetro de 63cm

Fuente: Departamento de instalación DOFORMAS LTDA Debido a su tamaño no se realiza proceso de galvanizado, pero se aplica capas de pintura anticorrosiva para proteger el material. En algunos casos se envían las torres por tramos debido a la dificultad de su cargue hacia las diferentes obras en donde se ejecutan proyectos de instalación de toboganes.

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3.3 ESTRUCTURAS DEL JUEGO INTERACTIVO A-50 (Figura 7) Para la fabricación de los juegos interactivos se utiliza tubería de acero al carbón ASTM A-53 galvanizada de 4” con un espesor de 6mm (Figura 6). Figura 6. Tubería para los juegos interactivos

Fuente: Departamento de Fabricación DOFORMAS LTDA Figura 7. Juego A-50 en Solidworks

Fuente: Departamento de DISEÑO DOFORMAS LTDA

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La tubería se recibe del proveedor en tubos de 4” con un espesor de 6 milímetros y una longitud de tubo de 6 metros. Para la fabricación de los juegos interactivos se debe cortar la tubería a medida y agregar las bridas necesarias para realizar la junta con las otras partes del juego. Para determinar los cortes se realizaron fichas técnicas de cada pieza del juego (Plano 3), elaborando planos en CAD (Solidworks), los cuales son entregados al Departamento de Fabricación de la empresa, y con el equipo adecuado de soldadura se realicen las respectivas adiciones o cortes necesarios para cumplir con los parámetros diseñados. Los costos de fabricación varían de acuerdo con cada pieza, pero en este caso es necesario analizar la cantidad de tubería que se debe utilizar para la creación del juego como se puede constatar en la siguiente tabla: Tabla 1. Dimensiones tuberia por modulos

MODULO 1

DETALLE CANTIDAD UNIDAD

TUBERIA 10,37 METROS

MODULO 2


TUBERIA 9,3 METROS

MODULO 3


TUBERIA 15,7 METROS

MODULO 4



MODULO 4



TOTAL



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El tiempo de fabricación de un juego A-50 completo es de 45 días el cual debe cumplir con las siguientes etapas para garantizar su calidad:

Organización de la materia prima

Fabricación de cada pieza del juego

Pre- ensamble de todo el juego

Lijado de asperezas

Se envía todas las piezas a galvanizado

Lijado de asperezas del galvanizado

Procesos de pintura

Procesos de Secado

Procesos de empacado La etapa de galvanizado es exterior a la empresa por lo cual se debe enviar las piezas a la empresa DIMEL, la cual se encarga del proceso.

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Plano 3. Ficha Técnica Para Fabricación

Fuente: Departamento de DISEÑO DOFORMAS LTDA

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4. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS

4.1 TORRES ESTRUCTURALES DEL TOBOGÁN La estructura principal debe soportar en una máxima condición un doble caracol de tobogán (Figura 8) el cual está conformado por 17 piezas (Plano 4) entre entrada y salida de piezas que está conformado de la siguiente manera:

14 curvas

3 rectas La torre estructural está anclada sobre un dado de concreto estructural, donde es sujetada con pernos, y de esta forma permanecer verticalmente para poder soportar 15 brazos metálicos que están soldados a la torre, lugar donde estarán ancladas las 17 piezas del tobogán, las cuales se encuentra sujetadas por medio de pernos, distribuyendo el peso de cada pieza entre dos brazos metálicos. Es importante tener en cuenta que el tobogán está diseñado para soportar un máximo de dos personas a la vez, de esta manera se tiene como referencia que 200 kilos pueden deslizarse al mismo tiempo. Por lo cual es importante precisar que el peso de la persona siempre estará distribuido sobre dos brazos. Figura 8. Torre estructural con doble caracol

Fuente: Elaboración Propia

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Plano 4. Piezas de la torre estructural con doble caracol

Fuente: Departamento de DISEÑO DOFORMAS LTDA Recta tobogán Abierto Peso promedio: 28 kilogramos Curva tobogán Abierto (Plano 5) Peso promedio: 43 kilogramos Plano 5. Curva de tobogán

Fuente: Departamento de DISEÑO DOFORMAS LTDA.

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4.2 JUEGO A-50 El juego A-50 está compuesto por 5 módulos que se encuentran conectados entre sí. (Plano 6) Plano 6. Vista del juego A-50 por módulos

Fuente: Departamento de diseño DOFORMAS LTDA. 4.2.1 Módulo 1. Es el encargado de permitir el ingreso de personas a la atracción y está diseñado para soportar 5 niños entre las edades de 1 a 12 años simultáneamente (Plano 7).

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Plano 7. Vista del módulo 1 Juego A-50

Fuente: Departamento de diseño DOFORMAS LTDA. 4.2.2 Módulo 2. Es el encargado de realizar la transición entre la entrada del juego y la zona de toboganes infantiles por su espacio está diseñado para tener un rango de 4 niños entre las edades de 1 a 12 años simultáneamente (Plano 8). Plano 8. Vista del módulo 2 del juego A-50

Fuente: Departamento de diseño DOFORMAS LTDA.

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4.2.3 Módulo 3. Es la zona en donde se despliegan toboganes a los dos lados es una zona extensa la cual está diseñada para tener un rango de 7 niños entre las edades de 1 a 12 años simultáneamente (Plano 9). Plano 9. Vista del módulo 3 del juego A-50

Fuente: Departamento de diseño DOFORMAS LTDA. 4.2.4 Módulo 4. Zona de transición entre el módulo de toboganes y el módulo del balde con agua, tiene un área extensa que está diseñada para tener un rango de 7 niños entre las edades de 1 a 12 años simultáneamente (Plano 10).

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Plano 10. Vista del módulo 4 del juego A-50

Fuente: Departamento de diseño DOFORMAS LTDA 4.2.5 Módulo 5. Zona de caída de agua y en donde termina el juego y está diseñado para tener un rango de 7 niños entre las edades de 1 a 12 años simultáneamente (Plano 11). Plano 11. Vista del módulo 5 del juego A-50


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Debido al peso del agua que retiene el balde del módulo 5 (Plano 12), se analizó las cargas pertinentes en este módulo, tomando como peso promedio de cada niño 30 kilogramos y un volumen de agua dentro del balde de 400 litros, lo que es equivalente a 400 kilogramos Plano 12. Balde del módulo 5 del juego A-50


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5. DIAGNÓSTICO DE LAS ESTRUCTURAS ACTUALES En esta etapa se realiza un análisis usando el método de elementos finitos de la estructura que sostiene el doble caracol de los toboganes y la estructura del módulo 5 del juego A-50 que es el que se encuentra sometido a mayor carga. Con los modelos en Solidworks se procede a realizar la simulación de en Autodesk Mechanical simulation para lo cual se realiza lo siguiente 5.1 ANÁLISIS DE LA TORRE ESTRUCTURAL Para realizar el análisis se realizó previamente el modelo de la torre en Solidworks (Figura 9) y se exporta el modelo al programa Autodesk Mechanical Simulation. Figura 9. Modelo de la torre principal del tobogán

Se le asigna a cada pieza el tipo de material en el programa para indicar los parámetros de simulación, el material que corresponde a cada pieza es acero A-36.

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Se realiza el proceso de enmallado de todas las piezas para fijar los parámetros y cargas para la simulación, se obtuvieron unos resultados de la cantidad de nodos presentes en la estructura (Tabla 2). Tabla 2. Características del proceso de enmallado

Fuente: Autodesk Mechanical Simulation Se realizó el proceso de fijación de la base, en el lugar donde esta soportada la estructura del tobogán como parte inicial de los parámetros de simulación. Sobre cada brazo de la estructura, se sostiene la parte inicial de una pieza y la parte final de otra. Por lo cual se realizó una distribución de carga, para determinar el peso sobre cada brazo, el cual dependerá del peso de cada pieza del tobogán. Se asignó una carga a cada brazo equivalente a 430 N, la cual se distribuye en cuatro puntos del brazo, que hace referencia a los puntos de sujeción de las piezas a los brazos de la estructura. El tobogán soporta al menos dos personas simultáneamente, por lo tanto, se añadió un peso de 200 kg, lo que es equivalente a 2000 N, carga que es dividida entre los dos brazos, donde esta soportada la carga, y esta carga se dividió en cuatro puntos, en donde esta soportado la pieza del tobogán al brazo. Tomando en cuenta el análisis anterior se ubicó cuatro cargas en cada brazo con un valor de 357 N, esto nos permitió observar las deformaciones que tiene la estructura cuando se encuentren las personas deslizándose por cada tramo.

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Se analizó los tres primeros tramos de la torre estructural, cada tramo está comprendido entre dos brazos, cada caso tiene una carga correspondiente a las dos personas que se encuentran sobre la atracción, en los tramos faltantes solo se aplicó la carga correspondiente al peso de las piezas del tobogán Se ubicó las cargas para cada caso, es decir, al deslizarse por el tobogán cada persona pasará por cada tramo del caracol, en el primer caso estará en el brazo 1 y 2, en el segundo caso en el brazo 2 y 3 y el tercer caso en el brazo 3 y 4. Se realizó las tres simulaciones para determinar el desplazamiento y el esfuerzo de Von Mises y observar cómo afecta a la estructura el paso de las personas por cada tramo, de lo cual se pudo constatar los siguientes resultados: Figura 10. Resultado esfuerzo de Von Mises Primera simulación.

Fuente: Autodesk Mechanical Simulation

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Figura 11. Desplazamiento de la torre principal primera simulación

Fuente: Autodesk Mechanical Simulation Figura 12. Desplazamiento de la torre principal segunda simulación

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Figura 13. Resultado del esfuerzo de Von Mises Segunda simulación

Figura 14. Desplazamiento de la torre principal tercera simulación


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Figura 15. Resultado del esfuerzo de Von Mises Tercera simulación

Se realizó las tres simulaciones, en las cuales se evidencio que el máximo desplazamiento, se presenta en los brazos que se encuentran soportando la carga equivalente al peso de las personas (Figura 11, Figura 12, Figura 14). Para el caso 1, 2 y 3 la estructura presentó: 0.00097 m, 0.00099 m y 0.00090 m como máximo desplazamiento respectivamente. El máximo esfuerzo que se presentó en cada caso (Figura 10, Figura 13, Figura 15) fue de 4513113 N/m2, 4448119 N/m2, 4661945 N/m2 respectivamente para el caso 1, 2 y 3. En los tres casos se observó que los máximos esfuerzos se encuentran en la zona inferior de la estructura y en las uniones de los brazos con la estructura. Los esfuerzos en el caso 1,2 y 3 equivalen al 1,89%, 1,77% y 1,86% respectivamente del esfuerzo de fluencia de acero A-36. Con las tres simulaciones se comprobó que diseño de la estructura soporta las cargas necesarias para el funcionamiento del tobogán, por lo cual se procedió a realizar una optimización del calibre, el cual se detalla en el capítulo siguiente. 5.2 ANALISIS JUEGO A-50

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Debido al peso de agua que retiene el balde se analizó las cargas pertinentes en el módulo 5, se tomó como peso promedio de cada niño 30 kilogramos y un volumen de agua dentro del balde de 400 litros, lo que es equivalente a 400 kilogramos

El módulo 5 es la zona de caída de agua y en donde termina el juego y está diseñado para tener un rango entre 8 y 10 niños, entre las edades de 2 a 12 años simultáneamente. Para realizar el análisis se realizó previamente el modelo de la estructura del juego en Solidworks (Figura 16) y se realizó el proceso de enmallado (Tabla 3) de todas las piezas del juego interactivo, fijando los parámetros y cargas para la simulación. Figura 16. Diseño en SolidWorks del módulo 5

Tabla 3. Características del proceso de enmallado


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Se adicionó 3920 N de carga correspondientes al peso del valde con agua, el cual fue dividio entre sus dos soportes. Por lo tanto a cada soporte se le adiciono una carga de 1860 N . Ademas se adicionó en los cuatro soportes inferiores la carga equivalente al peso de diez (10) niños, es decir, 2940 N. Por lo tanto cada soporte tiene un valor de 735 N, y de esta manera realizar la simulacion del juego cuando se encuentra en interaccion con los usuarios (Figura 17). Figura 17. Cargas en la estructura del juego A-50

Se realizó la simulación para determinar el desplazamiento y el esfuerzo de Von Mises y observar cómo afecta a la estructura la carga equivalente de las personas y el balde de agua, de lo cual se pudo constatar los siguientes resultados:

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Figura 18. Resultado del esfuerzo de Von Mises

Figura 19. Desplazamiento en el juego A-50

En la estructura del módulo cinco del juego A-50 se pudo constatar que el desplazamiento máximo (Figura 19) equivale a 0.000182 m y el esfuerzo máximo 16488334 N/m2.

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En la simulación se encontró que el máximo desplazamiento (Figura 19) y máximo esfuerzo (Figura 18) se encuentran presentes en la parte superior de la estructura del juego interactivo. Lo anterior nos constata que el mayor esfuerzo se está realizando en la parte superior de la estructura, donde están ubicados los soportes del balde con agua. Este resultado permitió realizar una comparación del máximo esfuerzo en la estructura con el esfuerzo de fluencia del material y se verificó que es menor, demostrando un adecuado funcionamiento bajo condiciones de carga estática, debido a que el esfuerzo máximo soportado por la estructura equivale al 8.04% del esfuerzo de fluencia del Acero al carbón A-53, por lo cual se procedió a realizar una optimización del espesor de la tubería, el cual se detalla en el capítulo siguiente.

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6. DISEÑO Y ANÁLISIS IMPLEMENTANDO NUEVOS ESPESORES

6.1 OPTIMIZACIÓN DE ESTRUCTURAS CON DIFERENTES DIMENSIONES 6.1.1 Optimización de estructura de tobogán con diferente calibre. Se realizó la optimización cambiando a 4.5mm el calibre de la lámina con la cual se fabrica la torre estructural del tobogán y se modelo en CAD la estructura con el nuevo calibre. 6.1.2 Optimización de estructura de los juegos infantiles con diferente espesor. Se cambió el espesor de la tubería, pasando de un espesor de 6 mm a un espesor inferior de 4 mm, para lo cual se realizó el nuevo modelo en CAD del juego interactivo A-50

6.2 ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS CON DIFERENTES DIMENSIONES 6.2.1 Análisis de la optimización de la estructura principal del Tobogán. Se le asignó a cada pieza el tipo de material en el programa para indicar los parámetros de simulación y el material que corresponde a cada pieza, y se realizó el proceso de enmallado de todas las piezas para fijar los parámetros y cargas para la simulación (Tabla 4). Tabla 4. Características del proceso de enmallado

Fuente: Autodesk Mechanical Simulation Para las simulaciones se tuvo en cuenta los mismos casos y parámetros utilizados en el análisis de la estructura actual de los toboganes de la empresa, detallados en el capítulo 6.

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Se realizó las tres simulaciones de la nueva estructura para determinar el efecto que tiene la disminución del calibre cuando se encuentre pasando las personas por cada tramo, reflejado en el desplazamiento y el esfuerzo de Von Mises. Figura 20. Resultado del esfuerzo de Von Mises primera simulación

Figura 21. Desplazamiento de la torre principal primera simulación

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Figura 22. Resultado del esfuerzo de Von Mises Segunda simulación

Figura 23. Desplazamiento de la torre principal segunda simulación

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Figura 24. Desplazamiento de la torre principal tercera simulación

Figura 25. Resultado del esfuerzo de Von Mises tercera simulación

Al realizar la disminución del calibre en las estructuras se evidenció un aumento en los desplazamientos y los esfuerzos presentados en la estructura. Para el caso uno, dos y tres se encontró como máximo desplazamiento (Figura 21, Figura 23, Figura 24) 0.0012 m, 0.001219 m y 0.00050 m respectivamente, este máximo desplazamiento se presentó en los brazos que soportan la carga

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equivalente al peso de las piezas del tobogán y de las personas que se encuentran pasando por ese tramo. Los máximos esfuerzos presentados en la estructura (Figura 20, Figura 22, Figura 25) fueron de 8606715 N/m2, 9154683 N/m2 y 7167818 N/m2

, presentando un evidente aumento con respecto a la estructura inicial de la empresa. Se realiza una comparación de los esfuerzos presentados con el esfuerzo de fluencia del material y se encontró como resultado que para el caso uno equivale al 3.44%, para el caso dos equivale al 3.66% y para el caso tres equivale al 3.4%, presentando un aumento con respecto a la estructura inicial de la empresa, lo cual era esperado debido a la disminución del calibre. Al realizar el cambio en el calibre del material de fabricación de las estructuras de los toboganes se logró disminuir los costos y el peso de las estructuras ofreciendo beneficios económicos a la empresa. 6.2.2 Análisis de la optimización de la estructura de Juego Infantil. Se realizó la implementación de una optimización en el diseño de la estructura de los juegos infantiles, en el cual se disminuyó el espesor de la tubería manteniendo su diámetro, es decir, se pasó de un espesor de 6 mm a un espesor de 4 mm. Se realizó el diseño en CAD con la optimización del espesor de la tubería, el cual se exportó a Autodesk Mechanical Simulation y se realiza un proceso de enmallado (Tabla 5) obteniendo unos resultados que se pueden constatar en la siguiente tabla: Tabla 5. Características del proceso de enmallado


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Se realizó el proceso de fijación de las bases que están ancladas al piso de la estructura del juego infantil como parámetro de simulación. Se adicionó una carga de 3920 N correspondientes al peso del valde con agua, carga que se dividio entre los dos soportes del juego. Por lo tanto se le asignó a cada soporte una carga de 1860 N para realizar la respectiva simulacion. Ademas, se adicionó sobre los cuatro soportes inferiores una carga equivalente al peso de 10 niños, es decir, 2940 N. Por lo tanto a cada soporte se le asignó un valor de 735 N y de esta manera poder realizar la simulacion de la estructura cuando se encuentre en interaccion con los usuarios. (Figura 26). Se realizo el proceso de simulacion obteniendo los siguientes resultados con la optimizacion del espesor de la tubreria: Figura 26. Adición de cargas a la estructura del juego A-50

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Figura 27. Resultado del esfuerzo de Von Mises

Figura 28. Desplazamiento del juego A-50

En la simulación se constató que al igual que en la estructura actual, el máximo desplazamiento (Figura 28) y máximo esfuerzo (Figura 27) se presentan en los soportes superiores, esto es debido a la carga equivalente al peso del balde que se encuentra sobre estos soportes.

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Además, se obtuvo como máximo desplazamiento un valor de 0.000287 m, demostrando un aumento con respecto a la estructura actual de la empresa, lo cual es debido al cambio de espesor de la tubería. Como máximo esfuerzo se obtuvo 22844072 N/m2, demostrando un adecuado funcionamiento de la estructura del juego interactivo bajo condiciones de carga estática, esto hace referencia a que el esfuerzo máximo soportado por la torre equivale al 11.14% del esfuerzo de fluencia del Acero al carbón A-53. Con la simulación se comprueba que el cambio de espesor de la tubería no afecta la seguridad de la estructura, presentando un óptimo funcionamiento.

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7. EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DE LAS ESTRUCTURAS ACTUALES VS LAS ESTRUCTURAS PROPUESTAS

7.1 ESTRUCTURA PRINCIPAL DEL TOBOGÁN En el proceso se diseñó y se implementó los modelos de la torre principal del tobogán, analizando en primera instancia el estado actual, y de esta forma lograr optimizar el diseño, logrando obtener uno más económico y favorable para la empresa DOFORMAS LTDA. De las estructuras actuales se evidenciaron los siguientes resultados: Tabla 6. Características torre principal actual

Características torre principal Actual del tobogán

Fabricación de las torres con lamina de acero A-36 con un calibre de 6mm, las láminas se compran con medidas de 1x2 metros.

En la tabla 7 se consignan los resultados de las simulaciones realizadas a las estructuras de los toboganes. Tabla 7. Resultados Simulación torre principal actual

Torre Principal Actual del Tobogán

Tipo de Simulación

Esfuerzo de Von misses

Desplazamiento Máximo

Porcentaje con respecto al esfuerzo de fluencia

N/ m2 m %

Simulación con carga entre el brazo uno y dos

4513113 0,00097 1,805%

Simulación con carga entre el brazo dos y tres

4448119 0,00099 1,779%

Simulación con carga entre el brazo tres y cuatro

4661945 0,0009 1,865%

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Tabla 8. Características torre principal de la optimización del diseño

Características torre principal Actual del tobogán

Fabricación de las torres con lamina de acero A-36 con un calibre de 4.5mm, las láminas se compran con medidas de 1x2metros

En la Tabla 9 se podrán observar los resultados de las simulaciones realizadas a las estructuras de los toboganes. Tabla 9. Resultados simulación de la optimización de la torre principal

Torre Principal Nuevo diseño del Tobogán

Tipo de Simulación




N/ m2 m %

Simulación con carga entre el brazo uno y dos

8606715 0,00124 3,443%

Simulación con carga entre el brazo dos y tres

9154683 0,001219 3,662%

Simulación con carga entre el brazo tres y cuatro

7167818 0,0005099 2,867%

De acuerdo con los análisis realizados se pudo observar que las estructuras actuales tienen la suficiente resistencia para soportar los toboganes como se puede observar en la Tabla 7, por lo tanto, se planteó realizar una optimización en el calibre de la lámina, es decir, pasar de calibre de 6mm a un calibre de 4.5. Y de esta forma disminuir el peso y el costo de las estructuras sin afectar la seguridad de los usuarios.

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En el análisis de la estructura optimizada (Tabla 9), se logró observar que el esfuerzo en la estructura aumenta, pero continúa teniendo la suficiente resistencia para soportar los toboganes. Por lo anterior, la empresa al disminuir el peso de la estructura tiene como beneficio mayor versatilidad cuando sea necesario su cargue o traslado para los diferentes trabajos realizado a estas. 7.2 ESTRUCTURAS DEL JUEGO A-50 En el proceso se diseñaron y se implementaron los modelos de las estructuras del Juego A-50, analizando el estado de las estructuras actuales, para de esta forma llegar a un diseño optimo, económico y favorable para la empresa DOFORMAS LTDA, para lo cual se realizó un cambio en el espesor de la tubería manteniendo estándares de seguridad. Tabla 10. Características estructuras actuales juego A-50

Características estructuras actuales juego A-50

Fabricación de las estructuras se realiza con tubo acero al carbón A-53 con un espesor de 6mm, el tubo se compra por una longitud de 6 metros.

En la tabla 11 se podrán observar los resultados de las simulaciones realizadas a las estructuras del módulo 5 del juego interactivo A-50 Tabla 11. Resultados Simulación estructuras actuales juego A-50

Estructuras actuales juego A-50

Tipo de Simulación Esfuerzo de Von

misses Desplazamiento

Máximo


N/ m2 m %

Simulación con carga del balde y diez niños en el módulo 5

16488334 0,000182 8,043%

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Tabla 12. Características estructuras optimizadas del juego A-50

Características estructuras nuevas juego A-50

Fabricación de las estructuras se realiza con tubo acero al carbón A-53 con un espesor de 4mm, el tubo se compra por una longitud de 6 metros

En la tabla 13 se podrán observar los resultados de las simulaciones realizadas para las estructuras optimizadas del módulo 5 del juego interactivo A-50 Tabla 13. Resultados de la simulación de las estructuras optimizadas del juego A-50

Estructuras Nuevas juego A-50

Tipo de Simulación




N/ m2 m %

Simulación con carga del balde y diez niños en el módulo 5

22844072 0,000287 11,143%

De acuerdo con los análisis realizados, se logró observar que las estructuras actuales tienen buena resistencia para soportar los Juegos interactivos como se puede constatar en tabla 11, por lo cual se planteó realizar un cambio en el espesor de la tubería, es decir, pasar de calibre de 6mm a un calibre de 4mm. En la optimización de la estructura (Tabla 13), se pudo observar que el esfuerzo en la estructura aumenta en comparación con la estructura actual, pasando de un 8,043% a un 11,143% con respecto al esfuerzo de fluencia del acero al carbón A-53. Se recomienda a la empresa cambiar el calibre de 6mm a 4 mm en la tubería de acero al carbón utilizada para la fabricación de las estructuras de los toboganes ya

60

que con esto disminuiría costos de la materia prima y lograría disminuir los pesos de las estructuras. La empresa al disminuir el peso de la estructura tiene como beneficio mayor versatilidad cuando sea necesario su cargue o traslado para los diferentes trabajos realizado a estas, como son la pintura, el proceso de galvanizado y el proceso de empaque.

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8. EVALUACIÓN ECONÓMICA

Se debe buscar reducir los costos de fabricación para poder ser más competitivos en el mercado actual. Con la optimización de las estructuras la empresa podría beneficiarse en una disminución significativa de costos. 8.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL DEL TOBOGÁN Se realizó un estudio de mercado y se evidencio un promedio en los precios de las láminas de acero A-36 necesarias para la fabricación de torres estructurales (Tabla. 14 – Tabla. 15). La empresa fabrica las torres estructurales por tramos de un metro de alto con un diámetro de 0.63 m para lo cual se utiliza una lámina de 2x1 m, para los toboganes estándar utiliza torres de 5 metros de alto para lo cual realizaremos un comparativo. Tabla 14. Características de las estructuras actuales de los toboganes

CANTIDAD UNIDAD DIMENSIONES CALIBRE PESO

KG VALOR

LAMINA DE ACERO A-

36 1 LAMINA 1X2 METROS 6mm 94,2

$ 162.169,00

Tabla 15. Características de las estructuras optimizadas de los toboganes

CANTIDAD UNIDAD DIMENSIONES CALIBRE PESO

KG VALOR

LAMINA DE ACERO A-

36 1 LAMINA 1X2 METROS 4,5mm 70,65

$ 105.548,00

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Grafico 1. Comparativo de precios de las estructuras del tobogán

La empresa debe reducir costos de producción sin afectar la calidad de los bienes ofrecidos, por lo tanto, es importante que la empresa adopte medidas para reducir costos como se ofrece en esta propuesta, al cambiar el espesor de la estructura podría reducir en 35% los costos de compra de materiales para la fabricación de las torres estructurales. 8.2 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA ESTRUCTURA DEL JUEGO INFANTIL A-50 Se realizó un estudio de mercado y se evidencio un promedio en los precios de las de la tubería de acero al carbón necesario para la fabricación de los juegos infantiles (Tabla. 16 – Tabla. 17). La empresa fabrica los juegos infantiles con tubería de 4 “de diámetro el cual debe ser comprado por tubos de 6 metros de longitud, para lo cual realizaremos un comparativo de costos para determinar la viabilidad económica y la ganancia que puede obtener la empresa al reemplazar sus estructuras por las estructuras propuestas.

$ -

$ 200.000,00

$ 400.000,00

$ 600.000,00

$ 800.000,00

$ 1.000.000,00

Torre con 6 mm x 5metros

Torre con 4,5mm x 5metros

Ganancia por torre

$ 810.845,00

$ 527.740,00

$ 283.105,00

Valor estructuras Torres Doformas

63

Tabla 16. Características de las estructuras actuales del juego A-50

CANTIDAD UNIDAD ESPESOR DIAMETRO PESO

KG VALOR

TUBO DE ACERO AL CARBON

1 TUBO DE 6 METROS

DE LARGO 6mm

4" 96,42

$ 226.054,00

Tabla 17. Características de las estructuras optimizadas del juego A-50

CANTIDAD UNIDAD ESPESOR DIAMETRO PESO

KG VALOR

TUBO DE ACERO AL CARBON

1

TUBO DE 6

METROS DE

LARGO

4mm

4"

64,68 $

151.640,00

Teniendo en cuenta los valores actuales del mercado se procede a realizar un comparativo para demostrar la utilidad que tendría la empresa en el cambio de espesor de sus estructuras. No se realiza cambio del diámetro de la tubería porque afectaría la estética del juego y con el cambio de espesor no se ve afectada la resistencia del juego.

Un juego interactivo A-50 tiene un gasto en tubería correspondiente a 109.95 metros, más un desperdicio equivalente a un 5% se debe adquirir al menos 115.44 metros para la construcción del juego, pero debido a que la tubería se entrega por un largo de 6 metros, deberíamos comprar 19.24 tubos lo que equivaldría a 20 tubos.

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Grafico 2. Comparativos de precios del juego completo A-50

El juego interactivo A-50 es uno de los productos que tiene mayor número de ventas en el año, por lo tanto, la empresa debe buscar cada día formas de reducir costos de producción sin afectar la calidad del producto. En el análisis anterior se puede evidenciar que la empresa tendría una reducción de costos significativa, por lo cual es importante que la empresa adopte medidas para reducir costos como se ofrece en esta propuesta, al cambiar el espesor de la tubería podría reducir en 33% los costos de compra de materiales para la fabricación de la tubería utilizada para los juegos infantiles.

$ -

$ 1.000.000,00

$ 2.000.000,00

$ 3.000.000,00

$ 4.000.000,00

$ 5.000.000,00

Juego A-50 Actual Juego A-50 nuevodiseño

Ganancia para laempresa por juego

$ 4.521.080,00

$ 3.032.800,00

$ 1.488.280,00

Valor para Juego Interactivo A-50

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9. CONCLUSIONES En el análisis estático realizado sobre la estructura actual del tobogán presentó 0.00097 m como máximo desplazamiento en los brazos, y 4513113 N/m2 como máximo esfuerzo de von Mises en la zona baja de la torre y en las conexiones de los brazos con la estructura central, pero demostró un adecuado funcionamiento bajo condiciones de carga estática, debido a que el esfuerzo máximo soportado por la torre equivale al 1,80% del esfuerzo de fluencia del Acero A-36. Se realizó una optimización disminuyendo el calibre de la lámina con la cual se fabrica las estructuras metálicas logrando disminuir costo y peso. Con la optimización del calibre de la torre estructural del tobogán se presentó un aumento en el desplazamiento y el esfuerzo máximo, obteniendo valores de 0.0012 m como máximo desplazamiento, y 8606715 N/m2 como máximo esfuerzo de von Mises, los cuales al igual que la estructura actual se presentaron en las uniones de los brazos con la estructura y en la zona baja de la torre. Al cambiar el espesor de la estructura de los toboganes la empresa podría reducir en 35% los costos de compra de materiales para la fabricación de las torres estructurales. En el análisis realizado sobre la estructura actual de los juegos infantiles se evidencio que trabaja en buenas condiciones presentando valores de 0.000182 m como máximo desplazamiento, y 16488334 N/m2 como máximo esfuerzo de von Mises, los cual nos permitió constatar que el esfuerzo máximo equivale al 8.04% del esfuerzo de fluencia del Acero al carbón A-53. Se realizó una optimización de la estructura de los juegos infantiles disminuyendo el espesor de la tubería. En la optimización de la estructura del juego A-50 tiene se constató que el esfuerzo en la estructura aumenta en comparación con la estructura actual, pasando de un 8,043% a un 11,143% con respecto al esfuerzo de fluencia del acero al carbón A-53, sin embargo, con el cambio de espesor la estructura tendría un óptimo funcionamiento.

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Al cambiar el espesor de la tubería podría reducir en 33% los costos de compra de materiales para la fabricación de la tubería utilizada para los juegos infantiles.

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10. RECOMENDACIONES

Se recomienda cambiar el calibre de las láminas utilizadas para la fabricación de las estructuras de los toboganes, ya que soportarían en óptimas condiciones las cargas involucradas.

Se recomienda cambiar el espesor de la tubería utilizada para la construcción de los juegos infantiles, porque disminuiría costos de producción y no afectaría la seguridad de la atracción.

No se cambia el diámetro de la tubería de los juegos infantiles, debido a que cambiaría la estética del juego.

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evaluaciÓn estructural de las torres de soporte de

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