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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN
INGENIERÍA AERONÁUTICA
SEMINARIO DE TITULACIÓN:
MODELADO, ANÁLISIS Y MANUFACTURA DE ELEMENTOS MECÁNICOS
“ANÁLISIS DE FRANGIBILIDAD DE UN INDICADOR DE
DIRECCIÓN DEL VIENTO”
T E S I N A
A S E S O R E S
M. EN C. PEDRO SANTAMARÍA BRIONES LIC. DAVID TORRES ÁVILA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN AERONÁUTICA
P R E S E N T A N:
ALBERTO GAYOSSO MARTÍNEZ RODRIGO ANDRÉS CEA YÉPEZ
i
CONTENIDO
Resumen ii
Abstract iii
Glosario de Términos iv
Abreviaturas v
Lista de Tablas vi
Lista de Figuras vii
Introducción ix
Justificación x
Objetivo general xi
Objetivos específicos xi
Hipótesis xii
Metodología xii
Alcance xiv
Descripción de capítulos xiv
Capítulo 1. Estado del Arte
1.1 Antecedentes 1
1.2 Normatividad 3
1.3 Marco Teórico 9
Capítulo 2. Modelado de la estructura del indicador de dirección del viento
2.1 Componentes estructurales del indicador de dirección del viento 26
Capítulo 3. Análisis de frangibilidad estructural del indicador de dirección
del viento
3.1 Elección de materiales 48
3.2 Análisis de frangibilidad estructural 52
3.3 Resultados 56
Conclusiones 59
Referencias Bibliográficas 61
ii
RESUMEN
El presente trabajo tiene el propósito de aprovechar el recurso
tecnológico de herramientas informáticas de diseño y análisis
estructural, para comprobar la cualidad de frangible de un indicador de
dirección del viento con una base de pernos fusibles, ya que al ser
dispositivos considerados como ayudas visuales a la navegación, no
podemos ni debemos evitar su uso, pero si podemos prevenir que
causen daño a las aeronaves, ya que por su altura y diseño son
considerados como obstáculos en los aeropuertos.
Por lo anterior se debe garantizar que el diseño de estos dispositivos sea
tal que pueda resistir la dirección y la intensidad de las ráfagas de
viento predominantes en los aeropuertos, pero a la vez cuenten con esta
capacidad de ser frangibles para que en el caso de impacto con una
aeronave, éstos se quiebren o rompan en alguna parte estratégica de su
estructura y causen el menor de los daños a las aeronaves
Dentro de la familia de los indicadores de dirección del viento se
encuentran dos tipos: lo que son de base frangible y los que son de
base rígida. Por su tamaño, los de base frangible (8’) son utilizados en
helipuertos, pero en el caso de los aeropuertos de deben utilizar los más
grandes (12’) para garantizar su visibilidad a una altura de 300 m sobre
el emplazamiento de la pista. Pero a la vez estos indicadores de
dirección del viento utilizados en los aeropuertos no cuentan con una
base frangible, es por ello que se implementó en su diseño el uso de
pernos fusibles y se analizó su eficiencia en la resistencia contra ráfagas
de viento y su frangibilidad ante probables impactos de aeronaves que
estén operando tanto en aire como en tierra.
iii
ABSTRACT
The present work aims to exploit the technology resource tools for
structural design and analysis to check the quality of frangible of a wind
direction indicator with fuse base bolts, due to these devices are
considered as visual aids to navigation, we cannot and should not avoid
using it, but if we can prevent causing damage to aircraft, since by its
height and design are considered as obstacles at airports.
Therefore you must ensure that the design of these devices is such that
it can withstand the direction and intensity of the prevailing wind at
airports, but also have the ability to be frangible in an aircraft’s impact,
they will break or rupture in a strategic part of its structure and cause
the least damage to aircraft.
Within the family of wind direction indicators are two types: what are
frangible base and rigid base. For its size, the frangible base ( 8 ' ) are
used in heliports, but in the case of airports should use the larger ( 12' )
to ensure their visibility at a height of 300 m above the runway . But
these wind direction indicators used in airports do not have a frangible
base, which is why its design was implemented using bolts fuses and
analyzed their efficiency in resisting wind and frangibility with impacts of
aircraft that are operating in air and on land.
iv
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Aeródromo Área definida de tierra o de agua (que incluye todas
sus edificaciones, instalaciones y equipos)
destinada total o parcialmente a la llegada, salida y
movimiento en superficie de aeronaves.
Energía del
impacto
La energía necesaria para que un objeto se quiebre,
se deforme o ceda cuando esté sujeto a una carga
de impacto.
Mecanismo de
separación o falla
Un dispositivo que fue diseñado, configurado y
fabricado de tal manera que es muy sensible a un
tipo de carga, resultante habitualmente de un
impacto dinámico que entraña una duración, pero
inmune al entorno normal y a las cargas
operacionales impuestas al mecanismo durante la
vida útil de la estructura. El mecanismo de
separación puede diseñarse en conjunción con las
juntas de la estructura o de manera independiente
a éstas.
Objeto frangible Objeto de poca masa diseñado para quebrarse,
deformarse o ceder al impacto, de manera que
represente un peligro mínimo para las aeronaves.
Peligro Condición u objeto que potencialmente puede
ocasionar un daño.
v
ABREVIATURAS
ANSI American National Standard Institute
FAA Federal Aviation Administration
OACI Organización de la Aviación Civil Internacional
vi
LISTA DE TABLAS
No.
Tabla Descripción Pág.
1.1 Tipos de soporte de los indicadores de dirección del viento 4
1.2 Estilo de los indicadores de dirección del viento 5
1.3 Tamaño de los indicadores de dirección del viento 5
1.4 Propiedades de metales 24
2.1 Dimensiones de la base 44
2.2 Dimensiones del mástil 45
2.3 Dimensiones de baleros 45
2.4 Dimensiones del eje de rotación 45
2.5 Dimensiones de los aros de soporte 46
2.6 Dimensiones de los largueros de soporte 46
2.7 Dimensiones de los pernos fusibles 46
3.1 Propiedades del Aluminio 6061 T6 48
vii
LISTA DE FIGURAS
No.
Figura Descripción Pág.
2.1 Base del indicador de dirección de viento 26
2.2 Dimensiones de la base del indicador de dirección de viento 27
2.3 Altura de la solera de fijación y de la base del indicador de
dirección de viento 27
2.4 Soporte del mástil del indicador de dirección de viento 28
2.5 Dimensiones del barreno para el pivote del soporte del mástil 29
2.6 Mástil del indicador de dirección de viento 30
2.7 Altura del mástil del indicador de dirección de viento 31
2.8 Baleros del indicador de dirección de viento 32
2.9 Dimensiones de los baleros del indicador de dirección de
viento 33
2.10 Dimensiones del eje de rotación, estructura del cono de
viento 34
2.11 Aros de soporte, estructura del cono de viento 35
2.12 Dimensiones de aros de soporte, estructura del cono de
viento 36
2.13 Largueros de soporte, estructura del cono de viento 37
2.14 Dimensiones del larguero de soporte, estructura del cono de
viento 38
2.15 Perno fusible 39
2.16 Dimensiones del perno fusible 40
2.17 Isométrico del indicador de dirección de viento 41
2.18 Vista lateral del indicador de dirección de viento 42
2.19 Vista frontal del indicador de dirección de viento 43
2.20 Vista superior del indicador de dirección de viento 44
3.1 Geometría del indicador de dirección del viento 49
viii
No.
Figura Descripción Pág.
3.2 Propiedades mecánicas del Aluminio 6061 T6 50
3.3 Densidad del Aluminio 6061 T6 50
3.4 Elemento finito para el mallado del modelo del indicador de
dirección del viento 52
3.5 Indicador de dirección del viento mallado 53
3.6 Empotre de los pernos fusibles 54
3.7 Aplicación de fuerza al indicador de dirección del viento 55
3.8 Detalle de análisis estático de fuerza aplicada al indicador de
dirección del viento 56
3.9 Detalle de la sección más delgada del perno fusible 57
ix
INTRODUCCIÓN
En los aeródromos existen diversas ayudas visuales para la navegación
que se emplazan cerca de las pistas, calles de rodaje, plataformas,
donde representan un peligro para las aeronaves por la potencialidad de
que en un impacto accidental durante el despegue, aterrizaje o
maniobras en tierra, se produzcan daños tanto al equipo como a las
aeronaves y pasajeros.
Derivado de lo anterior, la Organización de la Aviación Civil Internacional
(OACI), estableció que todos estos equipos de ayudas visuales a la
navegación, deben ser frangibles, es decir, que tengan la capacidad de
quebrarse, deformarse o ceder al impacto de manera que representen
un peligro mínimo para las aeronaves, y además deben estar instalados
lo más bajo posible para asegurar que el posible impacto no resulte en
la pérdida de control de las aeronaves.
Dicha frangibilidad se logra utilizando materiales livianos o mediante la
implementación de mecanismos de separación o falla que permitan al
objeto romperse, deformarse o ceder bajo el impacto. Para el caso de
los indicadores de dirección del viento que se usan en aeropuertos,
existen varios mecanismos para convertir su condición de estructura
rígida a frangible. En este trabajo se analizará la frangibilidad estructural
de un indicador de dirección del viento tipo L-807 sin iluminación con la
introducción de pernos fusibles en su base.
x
JUSTIFICACIÓN
Con motivo de la actual problemática de que los indicadores de dirección
del viento utilizados en los aeropuertos son de estructura rígida, y de la
nula regulación nacional en cuanto a especificaciones y características
de estos dispositivos, se realizó el análisis de frangibilidad estructural de
acuerdo a las normas y métodos recomendados emitidos por la
Organización de la Aviación Civil Internacional (OACI) en el Manual de
Diseño de Aeródromos Parte 6, Frangibilidad, y lo estipulado por la
Federal Aviation Administration (FAA) en su circular AC 150/5345-27D.
Es por tal motivo que el contenido de esta investigación está
encaminada a encontrar el diseño y los materiales óptimos de
construcción para un indicador de dirección del viento tipo L-807 sin
iluminación de estructura frangible para su uso en aeropuertos.
Se considera fundamental la aproximación de futuros profesionales que
continúen con esta investigación hasta lograr un prototipo adecuado de
indicador de dirección del viento tipo L-807 sin iluminación de estructura
frangible.
xi
OBJETIVO GENERAL
Analizar la frangibilidad estructural de un indicador de dirección del
viento tipo L-807 sin iluminación introduciendo pernos fusibles en su
base.
OBJETIVOS PARTICULARES O ESPECÍFICOS
Encontrar el material adecuado para el posterior análisis estructural
del indicador de dirección del viento tipo L-807 sin iluminación.
Analizar la introducción de los pernos fusibles como mecanismo de
falla para que la estructura rígida del indicador de dirección del viento
tipo L-807 pase a ser una estructura frangible.
Encontrar un método para volver frangible la estructura rígida actual
de los indicadores de dirección del viento tipo L-807 sin iluminación
xii
HIPÓTESIS
Si se encuentra que la introducción de pernos fusibles como mecanismo
de falla para la estructura rígida de los indicadores de viento tipo L-807
sin iluminación, entonces se habrá encontrado un método de volver
frangible la estructura de los mismos.
METODOLOGÍA
La metodología utilizada para este proyecto se muestra en el siguiente
diagrama:
Creación de Geometría
Creación y generación de mallas
Condiciones de frontera
Simulación computacional
Visualización de resultados
xiii
Primeramente se utilizó la herramienta CATIA para crear el modelo, es
decir, la geometría que permitiría posteriormente la construcción en 3D
de un modelo del indicador de dirección del viento.
Después se procedió a crear la malla para el modelo, es decir, se utilizó
el método del elemento finito para conocer la afectación estructural que
iba a tener el modelo con la aplicación de fuerzas.
El siguiente paso involucró el identificar qué condiciones envolvían la
actuación o performance del indicador de dirección del viento, en otras
palabras, bajo qué condiciones debía ser sometido para verificar la
frangibilidad estructural.
En seguida se realizó la simulación de las deformaciones y afectaciones
que sufrió el indicador de dirección del viento debido a las condiciones
establecidas en el punto anterior.
Por último se observaron los resultados y se plasmaron de una forma
lógica y entendible.
xiv
ALCANCE
El presente trabajo contempla el análisis de frangibilidad estructural de
un indicador de dirección del viento tipo L-807 sin iluminación, como un
intento por investigar, adoptar y aplicar los principios y bases del
conocimiento en ingeniería involucradas en el funcionamiento de este
tipo de máquinas, mediante la introducción de un mecanismo de falla,
como es la utilización de pernos fusibles, para volver frangible su
estructura.
Este trabajo deja puntos abiertos a importantes mejoras tales como la
optimización estructural del indicador del viento en cuestiones técnicas
para el posterior diseño de su iluminación, tanto interna como externa.
DESCRIPCIÓN DE CAPÍTULOS
En el capítulo 1 se hace una recopilación de antecedentes, información
teórica y normatividad aplicable.
El capítulo 2 contiene la investigación del material para la realización del
modelo en tercera dimensión de la estructura del indicador de dirección
del viento tipo L-807 sin iluminación.
En el capítulo 3 se hace el análisis de frangibilidad estructural utilizando
los pernos fusibles como mecanismo de falla para el indicador de
dirección del viento tipo L-807 si iluminación.
Por último se hace la entrega de los resultados y las conclusiones del
análisis de frangibilidad estructural.
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
1
Capítulo 1 Estado del Arte
Antecedentes
Hace siglos, los japoneses fueron los primeros en utilizar mangas de
viento. Se les colgaba originalmente en una vara de bambú alta en el
"Día de los muchachos", para celebrar toda la descendencia masculina.
Estas mangas de viento se hicieron primeramente de forma de pez koi,
y fueron llamadas koi noburi. Estaban hechas de papel o seda, y fueron
grabadas con el escudo de la familia.
La evidencia histórica también vincula las primeras mangas de viento
con los romanos y los persas, entre otros. Las mangas eólicas eran
principalmente para la batalla y para decirles tanto a las tropas como a
los arqueros, la dirección del viento. Las primeras mangas de viento
romanas fueron llamadas Dracos, y tenían una cabeza de madera y de
metal o la cabeza de una serpiente, con la tela moviéndose en la porción
de viento.
Se cree que la manga se creó después de la vela de viento, y fue
reconstruida más tarde por el uso de aviones para ayudar a determinar
la dirección y velocidad del viento. Ahora son un dispositivo común en
los aeropuertos, y a veces se les puede ver a lo largo de caminos y
carreteras donde hay mucho viento.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
2
Hoy día se pueden ver estos indicadores de dirección del viento de
viento en diferentes lugares, como por ejemplo en una planta química
donde hay riesgo de fuga de gas. Se utiliza para ayudar a determinar en
qué dirección y qué tan fuerte sopla el viento, en el caso de una fuga,
esto ayudará a determinar cuán lejos y rápido viajan los contaminantes.
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
3
Normatividad
La regulación existente sobre los indicadores de dirección del viento es
muy poca en realidad. La OACI clasifica a estos dispositivos como
ayudas visuales a la navegación y da algunas normas y
recomendaciones para su uso e implementación en el Anexo 14 del
Convenio de Chicago, enmienda 10B. A continuación se citan las que
son aplicables para los indicadores de dirección del viento sin
iluminación:
Aplicación
5.1.1.1 Un aeródromo estará equipado con uno o más
indicadores de la dirección del viento.
Emplazamiento
5.1.1.2 Se instalará un indicador de la dirección del viento
de manera que sea visible desde las aeronaves en vuelo,
o desde el área de movimiento, y de modo que no sufra
los efectos de perturbaciones del aire producidas por
objetos cercanos.
Características
5.1.1.3 Recomendación.— El indicador de la dirección del
viento debería tener forma de cono truncado y estar
hecho de tela, su longitud debería ser por lo menos de 3,6
m, y su diámetro, en la base mayor, por lo menos de 0,9
m. Debería estar construido de modo que indique
claramente la dirección del viento en la superficie y dé
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
4
idea general de su velocidad. El color o colores deberían
escogerse para que el indicador de la dirección del viento
pueda verse e interpretarse claramente desde una altura
de por lo menos 300 m teniendo en cuenta el fondo sobre
el cual se destaque. De ser posible, debería usarse un
solo color, preferiblemente el blanco o el anaranjado. Si
hay que usar una combinación de dos colores para que el
cono se distinga bien sobre fondos cambiantes, debería
preferirse que dichos colores fueran rojo y blanco,
anaranjado y blanco, o negro y blanco, y deberían estar
dispuestos en cinco bandas alternadas, de las cuales la
primera y la última deberían ser del color más oscuro.
Anexo 14 del Convenio de Chicago, enmienda 10-B 2009
De la información anterior tomaremos que el diámetro de la base mayor
del cono medirá 0.9 metros y la manga del mismo medirá 3.6 metros.
Por otra parte, la FAA también ha emitido información al respecto en
Circulares de Asesoramiento. Este organismo ha clasificado a los
indicadores de dirección del viento como se muestra en las siguientes
tablas.
Tipo de indicador Tipo de soporte
L-806 Estos son montados en estructuras
de soporte livianas
L-807 Estos son montados en estructuras
de soporte rígidas
Tabla 1.1 Tipo de soporte de los indicadores de dirección del viento
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
5
Estilo Tipo de iluminación
I-A Iluminado externamente
I-B Iluminado internamente
II Sin iluminación
Tabla 1.2 Estilo de los indicadores de dirección del viento
Tamaño Longitud Tipo de indicador
1 8 pies (2.5 m) L-806 y L-807
2 12 pies (3.75 m) L-807
Tabla 1.3 Tamaño de los indicadores de dirección del viento
A continuación se citan otras recomendaciones aplicables respecto al
diseño y las pruebas de evaluación para los indicadores de dirección del
viento.
Requerimientos de equipo
3.1 Condiciones medioambientales. Los conos de viento
deben estar diseñados de forma tal para que puedan
operar bajo las siguientes condiciones medio ambientales:
a. Temperatura. Cualquier temperatura entre -55°C (-
67°F) y 55°C(131°F)
b. Viento. Una velocidad del viento de hasta 40 km/hr
o 86 mph (75 nudos).
3.3 Marco. Se debe proveer un marco para sostener la
tela de la base mayor de la manga de viento totalmente
abierta bajo condiciones de viento calma y para que
funcione de interfaz con el soporte. El marco debe poseer
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
6
un diseño liviano a fin de ofrecer la resistencia mínima
ante el golpe inadvertido con una aeronave. El marco
puede ser confeccionado con material metálico o no
metálico. Los materiales ferrosos deben ser recubiertos y
expuestos al calor en galvanizado, zinc plateado, o resina
epóxica como protección contra la corrosión. El marco
debe diseñarse de tal forma que impida la acumulación de
agua en el cono. El marco debe soportar la tela de la
manga de viento en una posición rígida para tres octavos
de su longitud. Cuando la tela de la manga de viento esté
sujeta al marco, la combinación debe desempeñarse como
una veleta. Los cojinetes (bearings), los bujes (bushings)
o los dispositivos similares deben estar siempre lubricados
o dotados de accesorios que permitan la lubricación
periódica.
3.4.2 Tipo L-807. El tipo de soporte L-807 puede ser
articulado en su base o cerca de su centro por lo que el
cono de viento y la luz pueden ser sujetados desde el
suelo. Cuando el soporte se coloca en su sitio, éste debe
soportar, sin sufrir daño alguno, 3200 libras por pie (4340
N m) cuando se aplica una fuerza paralela a 16 pies (4,8
m) sobre la superficie a la cual el soporte está adherido.
Este soporte puede ser utilizado solamente cuando lo
permitan las normas de diseño de aeropuerto publicadas
en la AC 150/5300-13 Airport Design (Diseño de
aeropuertos) de la FAA.
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
7
Pruebas de evaluación
4.2.2 Sujeción de la manga de viento. Probar la sujeción
de la manga de viento a la estructura metálica, mediante
la aplicación de la siguiente tensión al extremo libre del
cono de viento:
a. Tamaño 1 - 45 libras (200 N)
b. Tamaño 2 - 100 libras (450 N)
Cualquier daño que se descubra en la manga de viento o
en los medios de fijación será causa para su rechazo.
4.2.3 Rigidez del soporte. Montar el soporte en una
superficie para simular su instalación normal y aplicar las
siguientes fuerzas al soporte. La fuerza debe ser aplicada
paralela y a una distancia especificada desde la superficie:
Tipo Fuerza Distancia
Mantener Ruptura
L-806 58 lb. (264 N) 117 lb. (530 N) 6 ft. (1.8 m)
L-807 200 lb. (890 N) - 16 ft. (4.9 m)
AC 150/5345-27D 2004, FAA
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
8
Como se observa en la información anterior, FAA establece una
clasificación de los tipos de indicadores de dirección del viento respecto
de su tamaño, tipo de iluminación, etc.
Para nuestro caso práctico, analizaremos la frangibilidad estructural de
un indicador tipo L-807 sin iluminación con un tamaño de 16 pies en su
mástil.
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
9
Marco teórico
Como marco teórico para este trabajo tomaremos información del Doc.
9157, Manual de diseño de aeródromos, Parte 6, Frangibilidad.
El Manual incorpora textos de orientación sobre el diseño, los ensayos y
la instalación de estructuras frangibles en aeropuertos y helipuertos y se
basa en las conclusiones de las reuniones de la quinta y sexta de la
OACI del Grupo de estudio sobre ayudas frangibles celebradas en 1998
y 2003, respectivamente, así como las prácticas corrientes en varios
estados.
Frangibilidad
En los aeropuertos, diversas ayudas visuales y no visuales (p. ej., torres
de iluminación de aproximación, equipo meteorológico, radio ayudas
para la navegación) están situadas cerca de pistas, calles de rodaje y
plataformas, donde pueden representar un riesgo para las aeronaves en
la eventualidad de un impacto accidental durante el aterrizaje, el
despegue o las maniobras en tierra. Todos esos equipos y sus apoyos
deben ser frangibles y estar instalados lo más bajo posibles para
asegurarse de que el impacto no resulte en la pérdida de control de las
aeronaves. Esta frangibilidad se logra utilizando materiales livianos o la
introducción de mecanismos de separación que permitan al objeto
romperse, deformarse o ceder bajo el impacto.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
10
Obstáculos que deben ser frangibles
Se define a los obstáculos como todo objeto fijo, o partes del mismo,
que esté situado en un área destinada al movimiento de las aeronaves
en la superficie o que sobresalga de una superficie definida destinada a
proteger a las aeronaves en vuelo. El primer objetivo debería ser
emplazar a los objetos de manera que no constituyan obstáculos. No
obstante, ciertos equipos e instalaciones aeroportuarios, debido a su
función, deben estar situados en un área operacional. Todos esos
equipos e instalaciones, así como sus soportes, deberían ser de una
masa mínima y frangible a fin de garantizar que el impacto no resulte en
pérdida de control de la aeronave.
Los indicadores de dirección del viento son considerados como equipo y
las aeroportuario que, debido a su función particular de navegación
aérea, tiene que estar situado en un área operacional.
Consideraciones generales relativas al diseño
El Manual de Frangibilidad especifica que no es necesario establecer
tolerancias de deflexión respecto a los indicadores de dirección del
viento.
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
11
Condiciones de servicio ambientales
Aunque se requiere que el diseño de los indicadores de dirección del
viento sea frangible a fin de minimizar el peligro para las aeronaves en
caso de impacto, éstos deben poder resistir las condiciones ambientales
a las que puede estar expuesto durante el servicio normal.
Seguidamente se identifican varias condiciones que el diseñador debería
tener en cuenta.
Carga del viento
El indicador de dirección del viento debería ser lo suficientemente fuerte
y rígido como para satisfacer los requisitos operacionales de su servicio
normal al nivel de velocidad de viento especificado [p. ej., 140 km/h (75
kt) con 12,5 mm de espesor de hielo].
Chorro de los reactores
La carga generada por el chorro de los motores de reacción no debería
causar falla ni deformación permanente. Deberían aplicarse las curvas
de contorno de los escapes de la aeronave prevista. La carga real
depende de la distancia y de la orientación del indicador de dirección del
viento con respecto a esta aeronave.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
12
Vibraciones
Los componentes de la estructura, que forman los medios de soporte del
indicador de dirección del viento, deberían estar diseñados de modo que
ningún elemento ni combinación de elementos vibre a las frecuencias de
resonancia, o próximas a éstas, inducidas por la respuesta aerodinámica
a las fuerzas del viento, los chorros de los reactores, terremotos, etc.
Requisitos de frangibilidad
Los indicadores de dirección del viento y sus soportes, ubicados en
áreas operacionales, deben ser frangibles para garantizar que se
quebrarán, deformarán o cederán en la eventualidad de que reciban el
impacto accidental de una aeronave. Los materiales de diseño
seleccionados deberían impedir cualquier tendencia de los componentes,
lo cual incluye los conductores eléctricos, etc., a “envolver” la aeronave
que choque o cualquier parte de la misma.
Una estructura frangible debería estar diseñada de modo de soportar las
cargas del viento estático u operacional o del chorro de los reactores con
un factor apropiado de seguridad pero debería quebrarse, deformarse o
ceder fácilmente al verse sometida a fuerzas repentinas de colisión de
una aeronave de 3 000 kg en el aire y desplazándose a 140 km/h (75
kt) o moviéndose en tierra a 50 km/h (27 kt).
La frangibilidad del diseño debería ser comprobada por medio de
ensayos a plena escala, evaluaciones por computadora, o por cálculos
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
13
basados en la comparación con estructuras análogas ya aprobadas
posiblemente apoyadas por ensayos adicionales de los componentes.
Filosofía del diseño
Los indicadores de dirección del viento (y sus soportes) ubicados cerca
de pistas y calles de rodaje deberían estar diseñados de modo que sean
frangibles a fin de limitar el peligro de las aeronaves que choquen
accidentalmente con ellos desde cualquier dirección, en vuelo o durante
las maniobras en tierra. El impacto puede afectar la seguridad de vuelo
de tres maneras:
a) la aeronave puede perder impulso;
b) la aeronave puede cambiar de dirección; y
c) la aeronave puede sufrir daños estructurales.
La cuantía del impulso perdido se rige matemáticamente por la integral
de la fuerza dividida por el tiempo. Esto implica que tanto la magnitud
de la carga del impacto como su duración deberían ser las mínimas
posibles.
El daño estructural de la aeronave guarda relación con la cantidad de
energía que necesita para desplazar el obstáculo, o parte del mismo, y
debería por lo tanto ser limitada. Esta energía puede desglosarse en los
siguientes componentes:
a) la energía para activar los mecanismos de separación o de falla;
b) la energía necesaria para la deformación plástica o elástica del
obstáculo, o de parte del mismo; y
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
14
c) la energía necesaria para acelerar el obstáculo, o parte del
mismo, hasta por lo menos la velocidad de la aeronave.
La energía necesaria para activar los mecanismos de separación o de
falla depende de la eficiencia de su diseño y del número de mecanismos
a activar. La energía absorbida por la deformación plástica o elástica de
la estructura depende de la selección de materiales: la cuantía será
mayor para los materiales dúctiles con índice más elevado de tensión.
La energía (cinética) necesaria para acelerar un obstáculo, o parte del
mismo, depende de la velocidad de la aeronave, que no constituye una
variable de diseño, y de la masa a ser sometida a aceleración. Por lo
tanto, la masa debería limitarse, por ejemplo, mediante materiales de
masa reducida o limitando la magnitud de estructura a acelerar, lo cual
puede lograrse incorporando mecanismos de separación o de falla
adecuadamente ubicados en la estructura.
El daño estructural de la aeronave también guarda relación con la zona
de contacto entre la aeronave y el obstáculo mediante el cual se
produce la transferencia de energía. Se ve que un área más grande de
contacto impide que los obstáculos penetren profundamente en la
estructura de la aeronave. Esto tiene consecuencias en la geometría
estructural del obstáculo.
Modo de falla
A fin de satisfacer los requisitos en materia de frangibilidad, pueden
aplicarse diferentes mecanismos de falla. Por ejemplo, las estructuras
pueden ser de diseño modular que, en caso de impacto, “abren una
ventana” para que la aeronave pase a través, o ser de diseño
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
15
monopieza que, en caso de impacto no se desintegran sino que se
desvían de la aeronave.
En el caso del diseño modular, la estructura debería contener
mecanismos de separación o de falla los cuales, aparte y
conjuntamente, necesiten sólo una mínima energía para ser activados.
Este concepto permite desplazar una mínima cantidad de masa fuera de
la trayectoria de una aeronave que esté chocando.
La secuencia de eventos es más fácil de predecir por cuanto la
estructura se comporta de manera frágil, desintegrándose de
preferencia en pequeñas deflexiones. También reduce al mínimo la
posibilidad de un efecto “envolvente”. No obstante, en este caso,
fragmentos desprendidos pueden sufrir impacto de otras partes de la
aeronave que pasen el lugar del impacto muy poco después.
En el caso del diseño monopieza, la frangibilidad debe garantizarse por
una falla total de la estructura, lo cual se logra por la falla aleatoria de
los elementos de la estructura, en vez de una falla de mecanismos de
separación o de falla predeterminados. Esto implica que en su momento
toda la estructura estará involucrada en el impacto, resultando en un
valor relativamente elevado de la energía cinética requerida para
desplazar la estructura fuera del camino. Por lo tanto, este tipo de
mecanismo de falla parece apropiado sólo para estructuras ligeramente
cargadas, o sea, las destinadas a sostener equipo de poca masa.
Además, debido al carácter permanente de la estructura, la secuencia
de eventos es difícil de predecir y la tendencia a “envolver” a la
aeronave debería considerarse un peligro más.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
16
Carga del impacto
La carga del impacto es una carga dinámica de corta duración que
cambia rápidamente. Los tiempos típicos de carga y reacción son en
milisegundos. La carga del impacto influye en el desempeño de la
frangibilidad de dos maneras. Primero, la carga máxima de impacto
puede afectar negativamente a la integridad estructural de la aeronave.
Segundo, la integral de la carga del impacto dividida por la duración del
mismo da lugar a un cambio del impulso (lo cual incluye la dirección) de
la aeronave.
Transferencia de energía
Durante el impacto, la energía se transferirá de la aeronave al
obstáculo. Dado que el daño a la aeronave es proporcional a la energía
transferida, tendría que ser limitada.
La energía requerida se estima como sigue:
a) La energía necesaria para que el mecanismo de separación se
fracture está determinada en el laboratorio en una escala de
componentes; esta cantidad de energía debe multiplicarse por el
número de mecanismos a romperse;
b) La energía necesaria para que haya deformación plástica o
elástica se calcula o determina mediante ensayos simples; esta
energía es a menudo desdeñable cuando se aplican materiales
rígidos y quebradizos en un diseño modular; y
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
17
c) La energía cinética necesaria para la aceleración de los
fragmentos, o la estructura total en el caso de un diseño
monopieza, se calcula utilizando la masa conocida y la velocidad
representativa de la aeronave.
La estimación debería hacerse para todos los escenarios diferentes de
una aeronave que impacte la estructura.
Conceptos relativos a la frangibilidad
La estructura frangible debería incluir conceptos como elementos de
poca masa, elementos y conexiones quebradizos o de poca dureza, o
mecanismos apropiados de separación. Existen diversos conceptos de
diseño, cada uno de los cuales tiene sus ventajas y desventajas. Los
diseños pueden incorporar uno o más conceptos a fin de garantizar la
frangibilidad.
Conexiones frangibles
En un diseño de conexiones frangibles, la frangibilidad se incorpora a la
conexión, la cual soporta la carga de diseño pero se fractura al haber
impacto. El elemento estructural no está diseñado para que se quiebre
sino más bien para que transfiera la fuerza del impacto a la conexión.
Un elemento rígido y liviano proporciona una transferencia eficiente de
la carga a la conexión y minimiza la energía absorbida del doblamiento y
de la aceleración de la masa. La conexión debería quebrarse a bajos
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
18
niveles de energía, según lo determinen los ensayos de impactos. Los
tipos de conexiones frangibles incluyen los pernos rebajados o
ahusados, los de materiales o aleaciones especiales, los remaches de
cabeza avellanada o los sujetadores desgarrables, y las cartelas de
unión con secciones separables. Algunos de éstos se describen
seguidamente:
a) Pernos fusibles. La falla de este tipo de conexión se induce
proporcionando un “concentrador de tensiones”, debido a la
remoción de material del vástago del perno. Un método utilizado
para lograr esto es hacer una muesca para reducir el diámetro del
perno o rebajos en los costados del perno, haciéndolo más débil
en determinada dirección. Se mantiene la resistencia al corte y se
reduce la resistencia a la tracción perforando un orificio a través
del diámetro del perno y ubicándolo en el plano de corte. Los
pernos fusibles deben instalarse cuidadosamente para asegurarse
de que no sufran daño o exceso de tensión al apretarse. El
problema con los pernos fusibles es que el concentrador de
tensiones puede acortar la vida de la fatiga del perno o puede
propagarse bajo las cargas de servicio y fallar prematuramente.
Hay disponibles comercialmente pernos fusibles con muescas
maquinadas.
b) Pernos de materiales especiales. La utilización de sujetadores
fabricados de materiales especiales elimina la necesidad del
trabajado o de la fabricación muy elaborada y permite que el
diseño básico consista en técnicas convencionales de costo eficaz.
Los sujetadores se dimensionan de modo que soporten las cargas
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
19
de diseño pero se fabrican de material de resistencia baja a los
impactos. Los materiales como el acero, el aluminio y plásticos
deberían seleccionarse basándose en la resistencia y la elongación
mínima en caso de falla. Se recomiendan los pernos de aluminio
de aleación de la norma ANSI 2024-T4 debido a que son
resistentes como los pernos de acero inoxidable pero tienen sólo
una elongación máxima del 10% en comparación con el 50% de
los de acero inoxidable. Los pernos de plástico pueden tener
valores de elongación bajos pero habría que establecer su
resistencia mediante ensayos. Dado que la frangibilidad se basa en
la selección de los materiales, es sumamente importante comprar
artículos que cumplan debidamente con las propiedades físicas.
c) Sujetadores desgarrables. Los sujetadores como los remaches
de cabeza avellanada pueden emplearse para soportar cargas
cortantes pero se desgarran a través del material de la base si la
fuerza del impacto crea una carga de tracción. El orificio en el
material de la base se puede trabajar con precisión para que
apriete una porción mínima del área bajo la cabeza del sujetador.
El ahusamiento de la cabeza avellanada también ayuda a iniciar el
tirón. Esta técnica se funda sobremanera en el proceso de
fabricación y exige una amplia inspección de la calidad.
d) Secciones separables. Las cartelas de unión pueden diseñarse
con muescas que se separarán con el elemento. En este tipo de
conexión el sujetador no se rompe sino que, en cambio, se utiliza
para tirar de una sección de la cartela de unión. La vida de la
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
20
fatiga y la calidad de fabricación constituyen las consideraciones
primarias de diseño.
Elementos frangibles
En este diseño, es necesario que falle el elemento estructural y no la
conexión del extremo. El elemento debería lograr una separación
segmentada a lo largo de su longitud, minimizando así la cantidad de
aceleración de la masa y reduciendo la posibilidad de un efecto
envolvente. Es más probable que en vez de metales se utilicen
materiales quebradizos como los plásticos, la fibra de vidrio u otros no
metálicos. La ventaja principal con los elementos frangibles es que las
fuerzas del impacto no tienen que retroceder a la conexión para que la
sección falle. Esto significa que la energía no es absorbida arqueando el
elemento como en un diseño de conexión frangible. La desventaja es
que los materiales especiales, no metálicos, exigen extensos ensayos
para establecer las propiedades a utilizar para el análisis de deformación
de la estructura.
El análisis debería también confirmarse mediante ensayos de cargas con
modelos de tamaño natural sobre la estructura. Los elementos no
metálicos deben contener igualmente inhibidores de los rayos
ultravioleta para protección contra el medio ambiente.
Las extrusiones de plásticos o las secciones de fibra de vidrio moldeada
existen en forma angular o tubular. Los elementos pueden también
fabricarse con puntos de rotura incorporados. Esto se hace uniendo un
material a otro en puntos a lo largo de la longitud del elemento. La línea
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
21
de unión se convierte entonces en el punto de iniciación de fractura del
elemento.
Mecanismo frangible
La frangibilidad puede incorporarse a la estructura de soporte mediante
un mecanismo que se desliza, quiebra o dobla al haber impacto y
elimina la integridad estructural del soporte. Se puede diseñar un
mecanismo frangible que soporte altas cargas de viento pero que se
mantenga muy sensible a las cargas de impacto. Los mecanismos
frangibles tienden a ser direccionales en cuanto a la resistencia, es decir
que soportan fuerte tracción y flexión pero muy poco cizallamiento.
Las uniones de fricción empleadas como mecanismos frangibles pueden
proporcionar elevada resistencia normal para la superficie deslizante
pero resbalan cuando la fuerza se aplica en forma paralela a la
superficie deslizante. En una estructura de soporte, las fuerzas de
impacto son primordialmente horizontales.
Las uniones de fricción deberían diseñarse de modo que el plano de
deslizamiento sea horizontal y que haya falla total si el impacto es
cualquier dirección en dicho plano. Esto se logra empleando uniones por
bridas en los extremos de los pedestales de las torres o en los tubos
interconectados que se separan deslizándose por el impacto.
También pueden emplearse elementos de soporte “desviables” como
mecanismos frangibles. Éstos se incorporan en la estructura para
proporcionar estabilidad pero si se quiebran y desvían al recibir el
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
22
impacto, dejan la estructura inestable y permiten que se fracture, pero
este tipo de diseño puede exigir que salgan del medio grandes
cantidades de masa antes de la falla.
Cualquier diseño que utilice mecanismos frangibles tiene que procurar
que no se produzca ningún deslizamiento o cambio de forma a raíz de la
carga cíclica. Por ejemplo, en un diseño donde se empleen tubos que se
interconectan, cualquier efecto de turbonada sobre un tubo debido al
chorro de los reactores o al viento podría aflojarlo o separarlo de su
contraparte.
Mecanismos de separación o de falla
La ubicación de los mecanismos de separación o de falla debe ser tal
que la desintegración en componentes de masa y tamaños previsibles,
que en el caso de un impacto secundario no planteen un peligro mayor
que el que presentan como parte de una estructura no dañada. Es
conveniente que los mecanismos de separación o de falla sean
independientes de la resistencia requerida para soportar cargas de
viento, cargas de hielo y otras cargas de fuente ambiental. Además, el
mecanismo no debería estar sometido a falla prematura provocada por
la fatiga.
CAPÍTULO 1 Estado del Arte
23
Selección de los materiales
Los materiales y la configuración de las estructuras frangibles deberían
ser apropiados para la finalidad prevista y deberían tener como
resultado la estructura más liviana posible. Las estructuras pueden
fabricarse a partir de materiales metálicos o no metálicos que no se
vean afectados negativamente por las condiciones ambientales en la
intemperie. Los materiales seleccionados para satisfacer los requisitos
de frangibilidad deberían ser resistentes, livianos y poseer un módulo de
dureza bajo. Es importante que el peso sea mínimo para asegurarse de
que se consuma la cantidad mínima de energía para acelerar la masa a
la velocidad de la aeronave que está produciendo el impacto. En
términos generales, la dureza está definida como la capacidad de un
material a resistir la fractura bajo cargas dinámicas. El módulo de
dureza es la cantidad final de energía por volumen que un material
absorberá y se determina calculando el área bajo el diagrama de
esfuerzos y deformaciones trazada hasta la condición de falla. La Tabla
1.4 enumera algunas propiedades comunes de los materiales de diseño
metálicos.
Los materiales normales, disponibles comercialmente, proporcionan el
diseño de máxima eficacia en cuanto al costo. Los materiales no
metálicos pueden diseñarse de modo especial para lograr características
de frangibilidad excelentes; no obstante, su comportamiento estructural
puede ser difícil de analizar debido a la incertidumbre relativa a su
módulo de elasticidad o la isotropía de los materiales. Todo material
debe poder soportar los efectos del medio ambiente o estar protegido de
los mismos, lo cual incluye la exposición a los agentes atmosféricos, la
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
24
radiación solar, las fluctuaciones de temperatura, etc., típicas de un
entorno al aire libre.
Tabla 1.4 Propiedades de metales
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
25
Capítulo 2 Modelado de la estructura del
indicador de dirección del viento
Para la construcción de nuestro modelo, tomamos como base el modelo
tipificado y especificado por la Federal Aviation Administration para
modelos no frangibles, es decir, el modelo L-807 con la particularidad de
que no se contempla la inclusión de iluminación por el momento.
Se adecuaron algunas de las especificaciones y características del
indicador de dirección del viento L-807, descritas por la FAA en la AC
150/5345-27C, mediante la comparación con lo estipulado por la
Organización de la Aviación Civil Internacional, tanto en el Anexo 14 al
Convenio de Chicago, como en el Doc. 9157 Manual de diseño de
aeródromos en su Parte 6 de Frangibilidad.
Estas adecuaciones son relativas a las dimensiones y características de
los diferentes componentes estructurales del indicador de dirección del
viento, mismo que son descritos a continuación a detalle.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
26
2.1 Componentes estructurales del indicador de
dirección del viento
BASE
Figura 2.1 Base del indicador de dirección del viento
La base para el indicador de dirección del viento se diseñó de tal forma
que fuera lo más liviano posible, no descuidando la cuestión del soporte
que debe mantener firme la demás estructura del indicador.
Se utilizó una base de 300 x 300 milímetros, con un espacio interior de
127 x 127 milímetros para el mástil. También una solera de 152.2 x
76.2 milímetros, que se utiliza para la fijación de la base con el mástil
del indicador. Todos los barrenos en la base son de 25.4 milímetros.
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
27
Figura 2.2 Dimensiones de la base del indicador de dirección del viento
Figura 2.3 Alturas de la solera de fijación y de la base del indicador
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
28
SOPORTE DE MÁSTIL
Figura 2.4 Soporte de mástil del indicador de dirección del viento
En este caso, se utilizó primeramente un soporte para el mástil por fines
de practicidad en los servicios de mantenimiento a la manga del cono.
Se planeó poner un perno en el barreno que se muestra en la figura 2.5
para que sea el pivote de movimiento y la parte más alta del cono sea
accesible para los trabajos de mantenimiento o inspección.
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
29
Figura 2.5 Dimensiones del barreno para el pivote del soporte del mástil
Este soporte tiene una altura total de 1500 milímetros, dónde la parte
sólida mide 600 milímetros y la parte de las tenazas mide 900
milímetros.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
30
MÁSTIL
Figura 2.6 Mástil del indicador de dirección del viento
El mástil del indicador es una estructura hueca en forma de canal
rectangular cerrado. Ésta parte del indicador se encargará de la
flexibilidad del mismo y será la que soporte las deformaciones por efecto
del viento. Además es la parte que quedará expuesta a los impactos con
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
31
aeronaves, es por ello que una estructura hueca es la mejor opción, ya
que se disminuye el riesgo en la severidad de los daños a una aeronave,
en caso de un probable impacto directo con las semialas o el fuselaje.
Figura 2.7 Altura del mástil del indicador de dirección del viento
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
32
BALEROS
Figura 2.8 Balero del indicador de dirección del viento
En este caso en particular, se introdujeron baleros de características
específicas por las necesidades de dimensiones tanto en el mástil como
para la flecha encargada de ser el eje de rotación para la estructura de
la caja de la manga de viento.
Estos baleros son los encargados de dar la cualidad de rotativo al cono
de viento, beneficiando así el funcionamiento del mismo ante la
captación de la dirección del viento.
Se utilizan dos baleros con diámetros exteriores de 74.2 milímetros,
diámetros interiores de 50.8 milímetros, y un espesor de 20 miímetros.
Lo anterior se muestra con la Figura 2.9.
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
33
Figura 2.9 Dimensiones del balero del indicador de dirección del viento
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
34
EJE DE ROTACIÓN DEL CONO DE VIENTO
A esta parte del indicador de dirección del viento se le considera como el
soporte principal para la estructura que mantiene a la manga de viento
en funcionamiento.
Es de sección transversal circular, tiene un diámetro de 50.8 milímetros
y una altura de 940 milímetros. Esta estructura embona con los baleros
para formar el sistema de rotación del indicador para la captación de la
dirección del viento.
Figura 2.10 Dimensiones del eje de rotación, estructura del cono de
viento
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
35
ESTRUCTURA DEL CONO DE VIENTO
AROS DE SOPORTE
Figura 2.11 Aros de soporte, estructura del cono de viento
Los aros de soporte que se utilizan en la estructura que sostiene a la
manga de viento, son delgados y resistentes, en total cubren una
distancia de 1952.4 milímetros, lo cual es suficiente tomando en cuenta
que está diseñada para soportar el peso y el arrastre creado por la
incidencia del viento en la manga de viento, misma que tendrá 3.6
metros de largo.
Con lo anterior se cumple con lo establecido como recomendación en el
Anexo 14 al Convenio de Chicago, por parte de la Organización de
Aviación Civil Internacional.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
36
Los aros de soporte de la estructura que soporta la manga de viento
tienen diámetros de 900, 800 y 700 milímetros, con un espacio entre
cada uno de ellos de 900 milímetros, garantizando la buena visibilidad
cuando se tenga el paso del viento a través de la manga.
Figura 2.12 Dimensiones de aros de soporte, estructura de cono de
viento
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
37
LARGUEROS DE SOPORTE
Figura 2.13 Larguero de soporte, estructura del cono de viento
Estos largueros de soporte sirven para mantener en una posición fija a
los aros que sostienen a la maga de viento, su función es darle mayor
rigidez a la estructura del cono.
La sección trasversal del larguero es exactamente la misma que la de
los aros de soporte, es decir que no se modifican las dimensiones por
cuestiones de peso y rigidez.
Estos largueros están colocados a con un ángulo de 3.18 grados para
que sigan el camino de las superficies de los aros de soporte.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
38
Figura 2.14 Dimensiones del larguero de soporte, estructura del cono de
viento
Para mantener el concepto del buen soporte y rigidez se diseñó que la
estructura del cono de viento tenga 4 largueros de soporte ubicados en
los 0°, 90° 180 y 270°.
La estructura tendrá que ser soldada para evitar el uso de más
materiales de soporte y evitar que el indicador de la dirección el viento
se vuelva más complejo en su estructura, más pesado y más caro.
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
39
PERNOS FUSIBLES
La introducción de los pernos fusibles en este modelo de indicador de
dirección del viento, es porque se encontró que al ser de estructura
rígida, no podrían utilizarse en los aeropuertos, ya que ahí, se requieren
estructuras frangibles.
Estos pernos fusibles le dan a la estructura rígida, un mecanismo de
falla, es decir que en el momento que se supere la cantidad de fuerza a
la que fue diseñada para soportar, ésta se quebrará precisamente de la
parte más baja en donde estarán ubicados los pernos.
Con lo anterior se garantizará que en caso de impacto de alguna
aeronave, ya sea en tierra o en vuela, el indicador de dirección del
viento se quebrará transfiriendo la mayor parte de la energía al suelo en
la caída, y no hacia la aeronave, generando el menor de los daños a su
estructura.
Figura 2.15 Perno fusible
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
40
El perno cuenta con dos mellas una cada 50.8 milímetros, la distancia
total es de 203.2 milímetros.
El diámetro mayor del perno es de 25.4 milímetros y el diámetro menor
de 15.875 milímetros.
La figura 2.16 ilustra las dimensiones del perno
Figura 2.16 Dimensiones del perno fusible
La recomendación de OACI, es que se utilicen 4 pernos fusibles para la
estructura del indicador de dirección del viento, ya que aunque es una
estructura rígida, el peso no es muy elevado.
Además se garantiza que la incidencia de las ráfagas de viento sobre la
estructura serán soportadas por los pernos sin quebrarse.
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
41
Después de analizar parte por parte de la estructura total del indicador
de dirección del viento, aquí se muestra el ensamblaje de todas las
piezas.
Figura 2.17 Isométrico del indicador de dirección del viento
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
42
Figura 2.18 Vista lateral del indicador de dirección del viento
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
43
Figura 2.19 Vista frontal del indicador de dirección del viento
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
44
Figura 2.20 Vista Superior del indicador de dirección del viento
A continuación se detallan las dimensiones de cada componente del
indicador de dirección del viento.
Base Longitud
(milímetros)
Largo 300
Ancho 300
Alto 101.6
Tabla 2.1 Dimensiones de la base
CAPÍTULO 2 Modelado de la estructura del indicador de dirección
del viento
45
Mástil Longitud
(milímetros)
Largo 152.4
Ancho 152.4
Alto 4052
Tabla 2.2 Dimensiones del mástil
Baleros (2) Longitud
(milímetros)
Diámetro mayor 74.2
Diámetro menor 50.8
Alto 20
Tabla 2.3 Dimensiones de baleros
Eje de rotación Longitud
(milímetros)
Diámetro 50.8
Alto 940
Tabla 2.4 Dimensiones del eje de rotación
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
46
Aros de soporte (3) Longitud
(milímetros)
Diámetro 900, 800 y 700
Sección tranversal
Largo 50.8
Alto 12.7
Tabla 2.5 Dimensiones de los aros de soporte
Largueros (4) Longitud
(milímetros)
Largo 1905.015
Ancho 50.8
Alto 12.7
Ángulo de inclinación 3.18°
Tabla 2.6 Dimensiones de los largueros de soporte
Largueros (4) Longitud
(milímetros)
Diámetro mayor 25.4
Diámetro menor 15.875
Alto 203.2
2.7 Dimensiones de los pernos fusibles
CAPÍTULO 3 Análisis de frangibilidad estructural del indicador de
dirección del viento
47
Capítulo 3 Análisis de frangibilidad estructural del
indicador de dirección del viento
Como ya se ha dicho en los capítulos anteriores, el punto medular de
este trabajo, es el de verificar la frangibilidad del indicador de dirección
del viento mediante la introducción de pernos fusibles en la base del
mismo.
Estos pernos fusibles actuarán como mecanismo de falla o separación,
esto quiere decir que serán el punto frágil de la estructura del indicador,
y en caso de algún impacto con aeronave, ya sea en aire o tierra, será
la parte que tenderá a quebrarse o deformarse y permitirá que toda la
estructura se venga abajo y ocasione el menor de los daños posible a la
aeronave.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
48
3.1 Elección del material
Para realizar el análisis de frangibilidad estructural del indicador de
dirección del viento se ha decidido que el material de éste sea el
Aluminio ANSI 6061 T6 ya que por su composición es de uso común
para piezas mecánicas, industria del plástico, camiones, torres, canoas,
vagones, muebles, cañerías y otras aplicaciones estructurales donde se
requiera soldabilidad y resistencia a la corrosión y mecánica.
Densidad (kg/m3) 2710 Coef. de dilatación
(°C-1 x 106) 23.6
Rango de fusión (°C) 575 -
650
Conductividad
térmica (W/m °C) Temple T6: 167
Módulo de elasticidad
(MPa) 69500
Resistividad a 20°C
(µΩcm) Temple T6: 4.0
Coeficiente de
Poisson 0.33
Calor específico (0
a 100°C) 940
Tabla 3.1 Propiedades del Aluminio 6061 T6
CAPÍTULO 3 Análisis de frangibilidad estructural del indicador de
dirección del viento
49
Figura 3.1 Geometría del indicador de dirección del viento
Una vex creada la geometría en el programa Workbench de ANSYS se
procedió a cargar el material seleccionado para la composición del
indicador de dirección del viento. Lo anterior se describe en la figuras
3.2 y 3.3.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
50
Figura 3.2 Propiedades mecánicas del aluminio 6061 T6
Figura 3.3 Densidad del Aluminio 6061 T6
CAPÍTULO 3 Análisis de frangibilidad estructural del indicador de
dirección del viento
51
Se cargaron en ANSYS las propiedades del Aluminio 6061 T6 descritas
en la Tabla 3.1, para que al momento de hacer el análisis de
frangibilidad estructural, se haga con los materiales que se tienen
planeados para la construcción del indicador de dirección del viento.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
52
3.2 Análisis de frangibilidad estructural
Una vez asignado el material de composición de nuestro indicador de
dirección del viento, se procedió a elegir un tipo de elemento finito para
crear la malla a nuestro modelo.
El elemento seleccionado fue de tipo sólido, Quad 4 node 182.
Figura 3.4 Elemento finito para el mallado del modelo del indicador de
dirección del viento
CAPÍTULO 3 Análisis de frangibilidad estructural del indicador de
dirección del viento
53
3.5 Indicador de dirección del viento mallado
Se realizó el mallado del modelo del indicador de dirección del viento e
inmediatemente después se inició con la asignación de cargas
estructurales, en a figura 3.5 se detalla el no desplazamiento en toda
dirección de los últimos 25.4 milímetros de los pernos fusibles
(empotre), ya que esta es la parte que debe permanecer fija al suelo
para generar la estabilidad del indicador. Ver figura 3.6.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
54
Figura 3.6 Empotre de los pernos fusibles
Se procedió entonces a aplicar la fuerza requerida para este tipo de
dispositivos, para medir su frangibilidad. Según la OACI los indicadores
de dirección del viento que sean frangibles, deben quebrarse o
deformarse cuando se les aplica una fuerza de 45000 N en lo más alto
de su mástil, simulando el impacto de una aeronave en movimiento.
Para ello se aplicó dicha fuerza en el modelo en ANSYS, tal y como se
describe en la figura 3.7.
CAPÍTULO 3 Análisis de frangibilidad estructural del indicador de
dirección del viento
55
Figura 3.7 Aplicación de fuerza al indicador de dirección del viento
3.3 Resultados
Los resultados arrojados fueron los siguientes.
Si se aplica una fuerza en lo más alto del mástil hacia la derecha, por
análisis estático se obtiene que en la sección más esbelta del perno se
generará una fuerza en dirección opuesta para mantener equilibrado el
sistema. Lo anterior se ilustra en la figura 3.8.
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
56
Figura 3.8 Detalle de análisis estático de fuerza aplicada al indicador de
dirección del viento
Trasladamos entonces la fuerza de 45000 Newtons a la parte superior
de la sección más delgada del perno fusible, y procedemos a realizar el
anáisis estático de fuerzas y momentos. Ver figura 3.9.
Base de indicador
Terreno
Perno
F
F1
F1
CAPÍTULO 3 Análisis de frangibilidad estructural del indicador de
dirección del viento
57
Figura 3.9 Detalle de la sección más delgada del perno fusible
Análisis estático de fuerzas y momentos en el punto A
Sumatoria de Momentos
( )( )
Sumatoria de fuerzas en Y
No hay fuerzas aplicadas en el eje y
r=7.9375 x 10-3 m
Punto A
F1
Sección transversal de la parte más
delgada del perno Vista frontal de la parte más delgada
del perno
Análisis de frangibilidad de un indicador de dirección del viento
58
Sumatoria de fuerzas en X
Por lo tanto la fuerza de reacción F1 resultado de la aplicación de la
fuerza F, tiene la misma magnitud que esta última, 45,000 N.
Aplicando entonces la fórmula del Esfuerzo Cortante, obtenemos
precisamente la fuerza perpendicular que se aplica al eje longitudinal de
la sección mencionada del perno fusible.
Esfuerzo Cortante
( )
Si comparamos que el módulo de corte para el Aluminio 6061 T6 es de
35 MPa con el esfuerzo cortante obtenido con la aplicación de una fuerza
de 45,000 N en el mástil del indicador de dirección del viento, de
113.675 MPa, el resultado es que los pernos fusibles introducidos en la
base del indicador como un método de falla ante posibles impactos de
aeronaves son eficaces para que éste ceda o se quiebre, comprobando
la cualidad de ser frangible.
Conclusiones
59
Conclusiones El trabajo realizado ha contribuido de una manera muy importante en la
verificación del uso de pernos fusibles como un mecanismo de falla para
los indicadores de dirección del viento de 16 pies, tipo L-807 sin
iluminación.
Uno de los puntos que consideramos tienen más importancia dentro de
un trabajo de esta naturaleza, es la detección de oportunidades y
puntos de mejora, ya que como lo hemos visto, todos los sistemas y
aplicaciones son perfectibles, lo que quiere decir que siempre habrá una
forma de mejorar y adecuar a nuestras necesidades los procesos,
equipos, instalaciones, etc., siempre y cuando se lleve a cabo una buena
investigación.
Como mencionamos a lo largo de este documento el problema principal
fue el idear la mejor forma de volver frangible una estructura rígida. La
implementación de los pernos fusibles en los indicadores de dirección
del viento no es muy común, pero mediante el análisis hecho con a
ayuda de software especializado se pudo demostrar que las
recomendaciones emitidas por la Organización de Aviación Civil
Internacional están vigentes.
Otro punto que se consideró clave para llevar a cabo una investigación
como esta fue el obtener toda la información teórica necesaria y
establecer los lineamientos a seguir respecto de las diferentes
regulaciones encontradas, en este caso se decidió optar por la
Conclusiones
60
normatividad OACI, ya que, en base a grupos de expertos, es el
Organismo encargado de establecer especificaciones y requerimientos
en materia de aviación.
En el proceso de elaboración del análisis de frangibilidad nos dimos
cuenta sobre la marcha de algunas cosas que ignorábamos y que hasta
ese momento omitíamos. Ahí fue cuando entró la ayuda de nuestros
asesores y fue que cambiaron la forma de pensar y de analizar que
teníamos. Además se tuvieron que considerar cuestiones mecánicas de
materiales que nos llevaron a encontrar el material óptimo de
construcción para el indicador de dirección del viento, para que las
ráfagas no le afectaran pero que a una cierta cantidad de fuerza cediera
al impacto.
Llevar a cabo investigaciones y análisis como el que se realizó en este
trabajo, demuestran la utilidad que tienen las tecnologías en software
que existen para simplificar procesos y realizar cálculos y visualizaciones
que unos años atrás eran imposibles de simular, por otra parte
demuestra también las habilidades adquiridas en el Seminario y por
supuesto durante la carrera de Ingeniería en Aeronáutica.
Bibliografía
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Referencias Bibliográficas
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Manual de diseño de aeródromos, Parte 6, Frangibilidad, Primera Edición, 2006.
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