Estudio sobre el comportamiento a flexión de viga I reforzada con CFRP para puente grúa de hasta 20 Ton
Este estudio investiga el comportamiento a flexión de vigas I reforzadas con polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) en puentes grúa con capacidad de carga de hasta 20 toneladas, con el objetivo de evaluar su rigidez estructural. La investigación se desarrolla debido a la necesidad de mejorar la rigidez, resistencia y factor de seguridad de las vigas principales de estos equipos críticos en la industria minera, mantenimiento y manufacturera, Además, se busca llenar un vacío en la normativa CMAA 70, que no contempla el uso de materiales compuestos como el CFRP en el refuerzo estructural. Se analizaron los modelos numéricos y analíticos que permitieron evaluar el comportamiento de las vigas en cuatro configuraciones: sin refuerzo, con refuerzo inferior, con refuerzo superior y con refuerzo en ambas caras. Los resultados muestran que el uso de CFRP incrementa significativamente la rigidez y resistencia de las vigas, reduciendo las deflexiones hasta en un 8.1% y los esfuerzos en un 10.2%. Estas mejoras confirman la eficacia del refuerzo con CFRP para aplicaciones estructurales, cumpliendo con los parámetros de la norma CMAA 70 en cuanto a la rigidez y seguridad. Se concluye que el refuerzo con CFRP es una solución viable para el diseño y la rehabilitación de puentes grúa, proporcionando un marco técnico para su diseño. Este estudio contribuye a la literatura científica al combinar análisis experimental, numérico y analítico, validando los refuerzos con CFRP en estructuras metálicas sometidas a cargas extremas.
Este estudio investiga el comportamiento a flexión de vigas I reforzadas con polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) en puentes grúa con capacidad de carga de hasta 20 toneladas, con el objetivo de evaluar su rigidez estructural. La investigación se desarrolla debido a la necesidad de mejorar la rigidez, resistencia y factor de seguridad de las vigas principales de estos equipos críticos en la industria minera, mantenimiento y manufacturera, Además, se busca llenar un vacío en la normativa CMAA 70, que no contempla el uso de materiales compuestos como el CFRP en el refuerzo estructural. Se analizaron los modelos numéricos y analíticos que permitieron evaluar el comportamiento de las vigas en cuatro configuraciones: sin refuerzo, con refuerzo inferior, con refuerzo superior y con refuerzo en ambas caras. Los resultados muestran que el uso de CFRP incrementa significativamente la rigidez y resistencia de las vigas, reduciendo las deflexiones hasta en un 8.1% y los esfuerzos en un 10.2%. Estas mejoras confirman la eficacia del refuerzo con CFRP para aplicaciones estructurales, cumpliendo con los parámetros de la norma CMAA 70 en cuanto a la rigidez y seguridad. Se concluye que el refuerzo con CFRP es una solución viable para el diseño y la rehabilitación de puentes grúa, proporcionando un marco técnico para su diseño. Este estudio contribuye a la literatura científica al combinar análisis experimental, numérico y analítico, validando los refuerzos con CFRP en estructuras metálicas sometidas a cargas extremas.
Modelo por elementos finitos y optimización multiobjetivo de tanques de GLP reforzados con material compuesto de fibra tejida
El presente trabajo propone una solución técnica y sostenible para extender la vida útil de tanques metálicos de GLP que no superan la prueba hidrostática de presión. Se plantea el refuerzo del tanque mediante un recubrimiento externo de fibra de carbono tejida, aplicado por la técnica de bobinado. Para validar esta propuesta, se desarrolló un modelo analítico en MATLAB, un modelo numérico por elementos finitos en ANSYS y un estudio experimental con galgas extensiométricas. Además, se caracterizó la resistencia del laminado mediante ensayos de tracción (ASTM D638). La validación cruzada entre modelos mostró una desviación inferior al 4 %, confirmando la fidelidad del modelo digital. Posteriormente, se implementó una optimización multiobjetivo que evaluó 200 configuraciones de diseño. El diseño óptimo obtenido logra reducir la masa del refuerzo respecto a configuraciones convencionales y mantener los esfuerzos internos dentro de los límites del diseño original, con un factor de seguridad mayor a 1.4. La investigación demuestra que es posible reacondicionar tanques descartados con un desempeño estructural comparable al de un tanque nuevo, proponiendo una alternativa técnica viable, económica y ambientalmente favorable.
El presente trabajo propone una solución técnica y sostenible para extender la vida útil de tanques metálicos de GLP que no superan la prueba hidrostática de presión. Se plantea el refuerzo del tanque mediante un recubrimiento externo de fibra de carbono tejida, aplicado por la técnica de bobinado. Para validar esta propuesta, se desarrolló un modelo analítico en MATLAB, un modelo numérico por elementos finitos en ANSYS y un estudio experimental con galgas extensiométricas. Además, se caracterizó la resistencia del laminado mediante ensayos de tracción (ASTM D638). La validación cruzada entre modelos mostró una desviación inferior al 4 %, confirmando la fidelidad del modelo digital. Posteriormente, se implementó una optimización multiobjetivo que evaluó 200 configuraciones de diseño. El diseño óptimo obtenido logra reducir la masa del refuerzo respecto a configuraciones convencionales y mantener los esfuerzos internos dentro de los límites del diseño original, con un factor de seguridad mayor a 1.4. La investigación demuestra que es posible reacondicionar tanques descartados con un desempeño estructural comparable al de un tanque nuevo, proponiendo una alternativa técnica viable, económica y ambientalmente favorable.
Análisis computacional y experimental sobre el comportamiento mecánico de las juntas no convencionales en los perfiles de aluminio estructural V-Slot
Los perfiles de aluminio estructural son normalmente obtenidos a partir de la extrusión, mediante este proceso se puede obtener distintas formas geométricas en la sección transversal del perfil, esto conlleva a que se desarrollen nuevas soluciones de juntas, que estén de acuerdo a los requerimientos de diseño. Es por ello que, el cumplimiento de las distintas solicitudes de diseño dependerá en gran medida de los distintos tipos de conexiones para unir estos tipos de perfiles. Dentro de este gran grupo se encuentran las juntas no convencionales, uno de estos casos es la junta tipo escuadra, que permite la sujeción de perfiles de aluminio en ángulos de 90 grados. Asimismo, permite el manejo y desmontaje sencillo de toda la estructura, sin recurrir al mecanizado, facilitando al operario poder reutilizar el perfil y la junta. Podemos encontrar, que este tipo de junta se utiliza en diferentes aplicaciones, tal como, en robots cartesianos, estructura de impresoras 3D, etc. Donde requieren soportar cargas medias bajas a altas. Sin embargo, la acción de dichas fuerzas sobre la unión no convencional requiere de cálculo y verificación de diseño. Pero, existe muy poca investigación disponible y los principales códigos estructurales (Eurocódigo 9) no proporcionan reglas definidas de diseño. Para evaluar el comportamiento mecánico de la junta y la influencia de estos sobre los perfiles de aluminio, se han desarrollado ensayos experimentales, cálculo teórico y análisis computacional. Las pruebas experimentales se desarrollaron en la universidad (PUCP). Estas, fueron sometidas a tracción y se verifico que lo primero que fallaba eran las tuercas cabeza de martillo, mas no el bracket, quien es la parte principal de la junta no convencional. Como consecuencia, el perfil horizontal se deflectaba en un aproximado de 2% respecto a la longitud efectiva de la viga. Asimismo, la fuerza máxima que soporta las aletas (canal) del perfil era casi 4 veces mayor a lo considerado por el fabricante. En general, todos los resultados obtenidos en la parte experimental, sirvieron para poder calibrar el modelo computacional, cuyos resultados fueron los esperados, con un margen de error de 9%. Finalmente, esta investigación ayudaría a suplir la falta de información. Como también, serviría para el diseño de estas juntas, tomando en cuenta los resultados obtenidos.
Los perfiles de aluminio estructural son normalmente obtenidos a partir de la extrusión, mediante este proceso se puede obtener distintas formas geométricas en la sección transversal del perfil, esto conlleva a que se desarrollen nuevas soluciones de juntas, que estén de acuerdo a los requerimientos de diseño. Es por ello que, el cumplimiento de las distintas solicitudes de diseño dependerá en gran medida de los distintos tipos de conexiones para unir estos tipos de perfiles. Dentro de este gran grupo se encuentran las juntas no convencionales, uno de estos casos es la junta tipo escuadra, que permite la sujeción de perfiles de aluminio en ángulos de 90 grados. Asimismo, permite el manejo y desmontaje sencillo de toda la estructura, sin recurrir al mecanizado, facilitando al operario poder reutilizar el perfil y la junta. Podemos encontrar, que este tipo de junta se utiliza en diferentes aplicaciones, tal como, en robots cartesianos, estructura de impresoras 3D, etc. Donde requieren soportar cargas medias bajas a altas. Sin embargo, la acción de dichas fuerzas sobre la unión no convencional requiere de cálculo y verificación de diseño. Pero, existe muy poca investigación disponible y los principales códigos estructurales (Eurocódigo 9) no proporcionan reglas definidas de diseño. Para evaluar el comportamiento mecánico de la junta y la influencia de estos sobre los perfiles de aluminio, se han desarrollado ensayos experimentales, cálculo teórico y análisis computacional. Las pruebas experimentales se desarrollaron en la universidad (PUCP). Estas, fueron sometidas a tracción y se verifico que lo primero que fallaba eran las tuercas cabeza de martillo, mas no el bracket, quien es la parte principal de la junta no convencional. Como consecuencia, el perfil horizontal se deflectaba en un aproximado de 2% respecto a la longitud efectiva de la viga. Asimismo, la fuerza máxima que soporta las aletas (canal) del perfil era casi 4 veces mayor a lo considerado por el fabricante. En general, todos los resultados obtenidos en la parte experimental, sirvieron para poder calibrar el modelo computacional, cuyos resultados fueron los esperados, con un margen de error de 9%. Finalmente, esta investigación ayudaría a suplir la falta de información. Como también, serviría para el diseño de estas juntas, tomando en cuenta los resultados obtenidos.
Estudio comparativo del colapso de perfiles tubulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo
En la presente tesis se realizó un estudio comparativo del colapso de tubos rectangulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo. Las curvas características de los tubos rectangulares fueron evaluadas mediante simulación numérica y modelos analíticos reportados en la literatura. Para validar los resultados de las simulaciones numéricas, se comparó las curvas características de bisagra plástica obtenidas computacionalmente con resultados experimentales presentados por Kecman (1979). Posteriormente, los modelos numéricos fueron utilizados para determinar el grado de correlación entre las curvas características con diferentes parámetros geométricos y de material. La tesis está dividida principalmente en tres partes. En la primera parte se presenta el fundamento teórico de las principales teorías de colapso por flexión de tubos rectangulares (Kecman (1979,1983), Wierzbickiycol. (1994b), y KimyReid (2001)). El cálculo del momento máximo y el análisis del mecanismo de colapso fue explicado detalladamente. En la segunda parte se analizó mediante simulación numérica el colapso de tubos rectangulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo. Para generalizar las conclusiones de este trabajo, se clasificó los tubos rectangulares de acuerdo a su modo de colapso utilizando el parámetro adimensional Ocr/Oy. Después se realizó un estudio comparativo sobre el colapso en los ensayos de flexión. En general, los resultados demostraron que la carga transversal ejercida por el indentador en el ensayo de flexión de 3 puntos provoca que el perfil colapse prematuramente. Por último se comparó las curvas características generadas con modelos analíticos y numéricos para determinar en cuáles casos es recomendable utilizar las teorías de colapso. En la tercera parte se reportan las conclusiones del presente trabajo de investigación.
En la presente tesis se realizó un estudio comparativo del colapso de tubos rectangulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo. Las curvas características de los tubos rectangulares fueron evaluadas mediante simulación numérica y modelos analíticos reportados en la literatura. Para validar los resultados de las simulaciones numéricas, se comparó las curvas características de bisagra plástica obtenidas computacionalmente con resultados experimentales presentados por Kecman (1979). Posteriormente, los modelos numéricos fueron utilizados para determinar el grado de correlación entre las curvas características con diferentes parámetros geométricos y de material. La tesis está dividida principalmente en tres partes. En la primera parte se presenta el fundamento teórico de las principales teorías de colapso por flexión de tubos rectangulares (Kecman (1979,1983), Wierzbickiycol. (1994b), y KimyReid (2001)). El cálculo del momento máximo y el análisis del mecanismo de colapso fue explicado detalladamente. En la segunda parte se analizó mediante simulación numérica el colapso de tubos rectangulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo. Para generalizar las conclusiones de este trabajo, se clasificó los tubos rectangulares de acuerdo a su modo de colapso utilizando el parámetro adimensional Ocr/Oy. Después se realizó un estudio comparativo sobre el colapso en los ensayos de flexión. En general, los resultados demostraron que la carga transversal ejercida por el indentador en el ensayo de flexión de 3 puntos provoca que el perfil colapse prematuramente. Por último se comparó las curvas características generadas con modelos analíticos y numéricos para determinar en cuáles casos es recomendable utilizar las teorías de colapso. En la tercera parte se reportan las conclusiones del presente trabajo de investigación.
Design and investigations on soft tensegrity structures with magnetic actuation
Soft tensegrity structures are composed of compliant elastomer elements that fulfill the roles of tension and compression parts. It is also possible to have elastomer elements that are affected by magnetic forces by adding ferromagnetic particles to their composition. This opens up the possibility to actuate a soft tensegrity structure through magnetic forces that can affect some parts of it. The current thesis developed a mechanism prototype to actuate magnetically a linear soft tensegrity structure. To achieve this actuated movement, first, an angular oscillating movement was proposed for a linear tensegrity structure, and the pre-stressed configuration of tension elements was established. Next, the fabrication process is also explained in detail, considering batch calculations, mold considerations, and the individual steps of the elastomer element fabrications. Finally, a driver mechanism was designed to actuate the soft tensegrity structure, and the kinematic calculations of the mechanism were also considered.
Soft tensegrity structures are composed of compliant elastomer elements that fulfill the roles of tension and compression parts. It is also possible to have elastomer elements that are affected by magnetic forces by adding ferromagnetic particles to their composition. This opens up the possibility to actuate a soft tensegrity structure through magnetic forces that can affect some parts of it. The current thesis developed a mechanism prototype to actuate magnetically a linear soft tensegrity structure. To achieve this actuated movement, first, an angular oscillating movement was proposed for a linear tensegrity structure, and the pre-stressed configuration of tension elements was established. Next, the fabrication process is also explained in detail, considering batch calculations, mold considerations, and the individual steps of the elastomer element fabrications. Finally, a driver mechanism was designed to actuate the soft tensegrity structure, and the kinematic calculations of the mechanism were also considered.