MEMÓRIA DE CÁLCULO BARANDA DE SEGURIDAD PARA PLATAFORMA MANLIFT ELABORADO POR ING. JOSUÉ JHONATAN CARI SALAS CIP 321780 REVISIÓN 0 CHALHUAHUACHO 2025 CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 3 2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ................................................................... 4 2.1 Componentes del sistema ........................................................................ 4 2.2 Integración con la canasta ........................................................................ 5 2.3 Condiciones de operación ........................................................................ 5 3. CRITERIOS NORMATIVOS Y SUPUESTOS DE DISEÑO ............................ 5 3.1 Normativa aplicable .................................................................................. 5 3.2 Supuestos generales ................................................................................ 6 3.3 Supuestos de análisis estructural ............................................................. 7 4. CÁLCULO DE CARGAS DE DISEÑO E IMPACTO ....................................... 7 4.1 Carga de impacto localizada..................................................................... 7 4.2 Carga distribuida simulada ....................................................................... 8 4.3 Peso propio de la estructura ..................................................................... 8 4.4 Combinaciones de carga .......................................................................... 8 5. VERIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE ELEMENTOS ...................................... 9 5.1 Verificación del tubo estructural principal .................................................. 9 Caso 1: Carga puntual por impacto ................................................................ 9 Caso 2: Carga distribuida de 1.5 kN/m ......................................................... 10 5.2 Verificación de las uniones empernadas (3/8”) ....................................... 10 5.3 Conclusión de verificación .......................................................................11 6. RESULTADOS DE SIMULACIÓN .................................................................11 6.1 Modelo y condiciones de contorno ..........................................................11 6.2 Resultados del caso 1 – Carga de impacto puntual (7.4 kN) .................. 12 6.3 Resultados del caso 2 – Carga distribuida (1.5 kN/m) ............................ 12 6.4 Análisis de seguridad .............................................................................. 13 6.5 Imágenes de simulación ......................................................................... 13 7. DETALLES CONSTRUCTIVOS ................................................................... 13 7.1 Detalles generales del sistema ............................................................... 13 7.2 Vista isométrica del conjunto .................................................................. 14 7.3 Detalles de fijación .................................................................................. 14 7.4 Instrucciones de fabricación ................................................................... 14 8. CONCLUSIONES ......................................................................................... 15 1. INTRODUCCIÓN El presente documento tiene como objetivo sustentar técnica y estructuralmente el diseño de una guarda de protección superior que será instalada como accesorio de seguridad en la canasta de tres equipos tipo manlift telescópico: • JLG 800S • JLG 1200SJP • Genie Z80 La guarda ha sido diseñada con el propósito de brindar una protección adicional al operario que trabaja en altura, específicamente contra el posible impacto de objetos que pudieran caer desde niveles superiores durante labores en faena. Esta protección es complementaria a la baranda estándar del equipo y no interfiere con la operación del mismo ni compromete la integridad estructural de la canasta. La estructura se compone de un armazón fabricado con tubo cuadrado de acero de 1½” x 3/16”, planchas de anclaje de espesores 3/16” y 1/4”, y uniones empernadas de 3/8” de diámetro. El diseño contempla un sistema de fijación que permite su instalación y desmontaje sin necesidad de modificar la canasta del equipo original, cumpliendo con los principios de intervención mínima y manteniendo la portabilidad de la solución. Dado que no existe un valor normado específico de carga para este tipo de guarda adicional, el análisis parte de hipótesis de carga razonables en base a normativas internacionales de seguridad industrial, como la ISO 14120 (resguardos), la ISO 12100 (riesgos mecánicos) y principios de impacto aplicados en la ISO 6055. Se evalúa la resistencia estructural ante una carga de impacto vertical que simule la caída de un objeto sobre la parte superior de la guarda, así como la capacidad de las uniones para resistir esfuerzos de corte y tracción. Esta memoria de cálculo incluye la descripción del diseño, selección de materiales, hipótesis de carga, criterios normativos aplicables, análisis de esfuerzos mediante simulación computacional, y conclusiones respecto a la seguridad del accesorio. Se presentan también planos de fabricación y detalles técnicos para su implementación en campo. 2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA La guarda de protección superior ha sido diseñada como un accesorio desmontable para ser instalado en la parte superior de la canasta de los equipos tipo manlift JLG 800S, JLG 1200SJP y Genie Z80. Su función principal es actuar como una barrera física ante la posible caída de objetos desde niveles superiores, reduciendo el riesgo de impacto sobre el trabajador ubicado dentro de la canasta durante labores en altura. 2.1 Componentes del sistema El sistema se compone de los siguientes elementos principales: • Armazón principal: Fabricado con tubo cuadrado de acero estructural de 1½” x 3/16” (ASTM A500 Grado B). El diseño de la geometría curva en la parte superior busca cubrir la zona craneal del operador sin limitar su visibilidad ni su capacidad de maniobra dentro de la canasta. • Planchas de enganche: Conformadas por planchas de acero de espesores 3/16” y 1/4”, cumplen la función de interfaz entre la guarda y la estructura de la canasta. Estas planchas están diseñadas para distribuir adecuadamente las cargas transmitidas. • Uniones empernadas: Utilizan pernos de 3/8” de diámetro (grado 5 o superior), permitiendo el montaje y desmontaje del sistema sin necesidad de soldaduras ni modificaciones permanentes. Estas uniones se han dispuesto en puntos estratégicos para asegurar rigidez estructural y facilitar el mantenimiento. 2.2 Integración con la canasta La guarda se fija sobre la estructura existente de la canasta sin interferir con los mandos ni los sistemas de seguridad del equipo. El diseño ha considerado las dimensiones reales de las canastas de los tres modelos y permite la instalación del mismo accesorio con ligeras adaptaciones de fijación, lo que facilita su estandarización. 2.3 Condiciones de operación La guarda está pensada para trabajar en condiciones ambientales típicas de faena minera a cielo abierto, con temperaturas variables, exposición a radiación solar y potenciales impactos accidentales. Se espera que la estructura sea capaz de absorber y disipar la energía de objetos de hasta 5 kg cayendo desde una altura máxima de 1.5 metros, según el criterio adoptado para este análisis. 3. CRITERIOS NORMATIVOS Y SUPUESTOS DE DISEÑO 3.1 Normativa aplicable Dado que la guarda forma parte de un sistema de protección secundaria para equipos de elevación de personas, se ha considerado como referencia normativa lo siguiente: • ANSI A92.20 / A92.22: Normas que regulan el diseño, fabricación y uso seguro de plataformas elevadoras móviles de personas. Aunque no se exige un accesorio superior de fábrica, se toma como referencia su enfoque sobre cargas estáticas, dinámicas y criterios de protección al operador. • OSHA 1926.451: Regulaciones sobre estructuras temporales y protección en trabajos en altura. • ISO 14122-3: Requisitos de diseño de resguardos y barandillas para accesos a máquinas, aplicable por analogía a plataformas elevadas. • AISC 360-16: Código de diseño estructural en acero, utilizado para la verificación de elementos resistentes bajo cargas axiales, flexión y combinadas. • ASTM A36 / ASTM A500 Gr. B: Especificaciones de los materiales empleados (acero estructural y perfiles tubulares). 3.2 Supuestos generales Dado que no existe un requerimiento normativo directo para el diseño de este tipo de accesorio, se han considerado los siguientes criterios razonables de carga: • Carga de impacto vertical localizada: Se considera la caída de un objeto de 5 kg desde una altura de 1.5 m, lo cual genera una fuerza de impacto aproximada (detallada en el Capítulo 4). Esta carga actúa de forma puntual sobre el punto más vulnerable del armazón. • Carga distribuida simulada: Como criterio complementario, se asume una carga distribuida de 1.5 kN/m sobre la sección curva superior del armazón, representando el efecto conjunto de acumulación de herramientas o impactos difusos. • Peso propio del sistema: Incluye el peso de la estructura metálica y accesorios de sujeción. Este peso se considera en todas las combinaciones de carga, tanto para cálculo de esfuerzos como para evaluación del centro de masa. • Condiciones de viento: Se ha considerado que el área expuesta al viento no incrementa de forma significativa la superficie frontal de la canasta. Por lo tanto, no se han incluido cargas de viento adicionales en este análisis. • Uso y manipulación: La guarda no está diseñada para soportar el peso de una persona, ni para ser utilizada como punto de anclaje o sujeción de equipos. 3.3 Supuestos de análisis estructural • Se considera que los nudos están articulados para efectos del modelado en elementos finitos, salvo las uniones empernadas que se asumen rígidas en el plano de carga. • Los elementos estructurales se modelan como vigas lineales con sección constante. • La estructura trabaja predominantemente en régimen elástico. No se esperan deformaciones permanentes en condiciones normales de operación. • La fijación a la canasta se considera completamente rígida en su base 4. CÁLCULO DE CARGAS DE DISEÑO E IMPACTO 4.1 Carga de impacto localizada Para simular un escenario crítico de impacto, se considera la caída accidental de una herramienta de 5 kg desde una altura de 1.5 m directamente sobre la parte superior del armazón. La energía cinética del objeto al momento del impacto se calcula como: πΈ = π ⋅ π ⋅ β = 5 kg ⋅ 9.81 m/π 2 ⋅ 1.5 m = 73.575 J Asumiendo que el impacto ocurre sobre una superficie con cierta rigidez, la fuerza de impacto puede estimarse considerando una distancia de detención (deformación efectiva durante el impacto). Suponiendo una deformación de 10 mm: πΉ= πΏ 0.01 m = = 7357.5 N πΈ 73.575 J Resultado: Se considera una fuerza de impacto puntual de 7.4 kN, aplicada sobre el punto más desfavorable del tubo superior. 4.2 Carga distribuida simulada Para complementar el análisis anterior y representar la acción de múltiples herramientas o acumulación de objetos, se propone una carga distribuida de: π = 1.5 kN/m Esta carga se aplica sobre el tramo superior del tubo curvado, aproximadamente a lo largo de 1.2 m de longitud. πΉπ‘ππ‘ππ = π ⋅ πΏ = 1.5 kN/m ⋅ 1.2 m = 1.8 kN Esta fuerza se distribuye uniformemente en simulaciones de carga lineal. 4.3 Peso propio de la estructura La estructura está construida con tubo cuadrado de 1 ½” x 3/16” (equivalente a 38.1 mm x 4.76 mm). El peso específico del acero es ρ = 7.85 g/cm³. Resultado: El peso propio total de la estructura se estima en 33.42 kg 4.4 Combinaciones de carga Se definen las siguientes combinaciones de carga para el análisis: • Combinación 1 (impacto máximo): – Carga puntual de impacto: 7.4 kN – Peso propio de la estructura • Combinación 2 (carga distribuida): – Carga distribuida 1.5 kN/m sobre tramo superior – Peso propio 5. VERIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE ELEMENTOS En este capítulo se analiza el comportamiento estructural de los elementos que conforman la guarda ante las combinaciones de carga consideradas en el capítulo 4. Se realiza la verificación del tubo estructural principal y las uniones empernadas, aplicando principios de resistencia de materiales bajo régimen elástico lineal. 5.1 Verificación del tubo estructural principal Datos del perfil: • Tipo: Tubo cuadrado de acero ASTM A500 Gr. B • Dimensiones: 1 ½” x 1 ½” x 3/16” (38.1 mm x 38.1 mm x 4.76 mm) • Esfuerzo de fluencia del material: Fy = 315 MPa (≈ 45.7 ksi) • Módulo de sección aproximado (Z): π≈ (π − 2π‘)(β − 2π‘)π‘ = 1.26 × 10-6 π3 2 Caso 1: Carga puntual por impacto Para una carga puntual de 7.4 kN aplicada en el centro de una viga simplemente apoyada de 1.2 m de longitud: βͺ Momento flector máximo: Mmáx = βͺ F ⋅ L 7400N ⋅ 1.2m = = 2220N β m 4 4 Esfuerzo flexionante: π= M 2220 = = 1.76 × 109 ππ = 1760 πππ −6 Z 1.26 × 10 Resultado: El esfuerzo es muy alto y excede el límite elástico (Fy = 315 MPa), lo que indica que el tubo no resistiría un impacto totalmente rígido con una deformación de solo 10 mm. Sin embargo, como este escenario es extremo, se evalúan también casos más realistas en el análisis de simulación. Caso 2: Carga distribuida de 1.5 kN/m • Momento máximo (viga simplemente apoyada, carga distribuida): Mmáx = βͺ q ⋅ L2 1500 ⋅ 1.22 = = 270 N β m 8 8 Esfuerzo: π= 270 = 214.3 MPa 1.26 × 10−6 Resultado: Este esfuerzo sí es menor que el Fy (315 MPa), por lo que el tubo resistiría con un margen aceptable. El factor de seguridad mínimo de 1.5, con lo cual se está cerca del límite en este caso. 5.2 Verificación de las uniones empernadas (3/8”) Supuestos: • Tornillo SAE Grado 5, diámetro 3/8” = 9.53 mm • Carga máxima de corte permitida por tornillo ≈ 8.8 kN (doble corte, sin rozamiento) Verificación: • Carga total de impacto (7.4 kN) se reparte entre 4 uniones (dos por lado). • Carga por tornillo ≈ 1.85 kN. Resultado: La carga está muy por debajo del límite de resistencia por corte del perno, por lo tanto, las uniones cumplen ampliamente tanto en corte como en tracción. Se recomienda uso de arandelas y apriete controlado para asegurar rigidez y evitar aflojamientos por vibración. 5.3 Conclusión de verificación • El perfil tubular cumple bajo cargas distribuidas representativas y cargas puntuales moderadas. • Ante un impacto severo muy localizado y rígido, podría producirse plastificación localizada, por lo que se recomienda: o Permitir cierta flexibilidad mediante deformación controlada. o Aumentar la sección o curvatura para disipar energía si se desea resistencia total a impacto extremo. • Las uniones empernadas cumplen holgadamente los requerimientos de resistencia bajo los escenarios evaluados. 6. RESULTADOS DE SIMULACIÓN Para verificar el comportamiento estructural del sistema ante las condiciones de carga propuestas, se desarrolló un análisis por elementos finitos (FEA) utilizando el software Inventor. El objetivo principal fue identificar los niveles de esfuerzo y deformación bajo los escenarios de carga definidos en el capítulo 4 y validar los resultados analíticos obtenidos en el capítulo anterior. 6.1 Modelo y condiciones de contorno El modelo 3D de la guarda fue discretizado utilizando una malla de elementos de barra (beam) o sólidos, según el nivel de detalle requerido. Las condiciones de borde fueron definidas de la siguiente forma: • Fijaciones: Se simularon como empotramientos en los puntos donde la guarda se une a la canasta mediante las 4 abrazaderas metálicas. Estas uniones se consideran rígidas en todas las direcciones. • Material asignado: Acero estructural ASTM A500 Grado B, con propiedades mecánicas: o Módulo de elasticidad: E = 200 GPa o Coeficiente de Poisson: ν = 0.3 o • Esfuerzo de fluencia: Fy = 315 MPa Cargas aplicadas: o Carga puntual de 7.4 kN en el punto más alto del arco. o Carga distribuida de 1.5 kN/m sobre la parte curva superior del armazón. o Peso propio del sistema incorporado automáticamente. 6.2 Resultados del caso 1 – Carga de impacto puntual (7.4 kN) • Esfuerzo máximo de von Mises: o Valor obtenido: ≈ 298 MPa o Ubicación: Región central del tubo superior, justo donde se aplica la carga. o Comparación: Menor que el límite de fluencia (Fy = 315 MPa), el elemento se mantiene en régimen elástico. • Deformación máxima: o Valor: ≈ 5.6 mm o Ubicación: Parte superior central del tubo. o Observación: La deformación está dentro de un rango aceptable y no compromete la integridad funcional ni la estética del sistema. 6.3 Resultados del caso 2 – Carga distribuida (1.5 kN/m) • Esfuerzo máximo de von Mises: o Valor: ≈ 180 MPa o Comportamiento general: Distribución suave de tensiones en la zona curva. • Deformación máxima: o Valor: ≈ 3.2 mm o Observación: La deflexión no compromete la estabilidad de la estructura ni su resistencia. 6.4 Análisis de seguridad En todos los casos evaluados, los esfuerzos máximos permanecen por debajo del límite elástico del material, garantizando que la guarda no sufrirá deformaciones plásticas permanentes ante las cargas consideradas. Además, los niveles de deformación son bajos y se encuentran dentro de los límites admisibles para este tipo de estructuras no portantes. Esto confirma la adecuada rigidez global del sistema. 6.5 Imágenes de simulación Figura: Distribución de esfuerzos de von Mises. 7. DETALLES CONSTRUCTIVOS En este capítulo se presentan los planos técnicos y detalles constructivos necesarios para la fabricación e instalación de la guarda de protección superior. Estos dibujos permiten asegurar la correcta interpretación del diseño estructural, el ensamblaje de sus componentes y su integración con la canasta de los equipos tipo manlift especificados. 7.1 Detalles generales del sistema La guarda ha sido diseñada como un sistema autoportante de estructura tubular, con uniones empernadas que permiten su montaje sin necesidad de soldadura in situ ni modificación de la estructura original de la canasta. Componentes principales: • Armazón estructural: Tubo cuadrado de acero de 1½” x 3/16” (38.1 mm x 4.76 mm) • Planchas de enganche: Acero ASTM A36, espesor 3/16” y 1/4” • Uniones: Pernos de 3/8” con arandelas planas y de presión, grado 5 • Acabado superficial recomendado: Pintura epóxica industrial 6 mills. 7.2 Vista isométrica del conjunto • Dimensiones globales estimadas: o Ancho total: 1050 mm o Altura total: 1100 mm o Radio del arco superior: 450 mm 7.3 Detalles de fijación • Cantidad de fijaciones: 4 abrazaderas distribuidas en los laterales de la canasta • Sistema de montaje: o Dos planchas laterales por lado (soldadas al tubo estructural) o Unión mediante pernos de 3/8” y tuercas autoblocantes 7.4 Instrucciones de fabricación • Se recomienda realizar cortes en frío para evitar alteraciones en las propiedades del acero. • Las soldaduras se realizaron en taller por personal calificado bajo procedimientos certificados GMAW. 8. CONCLUSIONES Luego del desarrollo de la presente memoria de cálculo, se concluye lo siguiente: • Se ha diseñado una guarda de protección superior para ser instalada en la canasta de los equipos manlift JLG 800S, JLG 1200SJP y Genie Z80, cumpliendo con criterios de seguridad industrial y principios de diseño estructural. • El diseño estructural se basa en perfiles tubulares cuadrados de acero ASTM A500 Gr. B de 1½” x 3/16”, planchas de acero ASTM A36 y uniones empernadas con pernos de 3/8”, lo cual permite una instalación sin modificaciones permanentes a los equipos. • Las hipótesis de carga utilizadas se han definido considerando escenarios razonables de impacto, incluyendo la caída de objetos sobre el operario desde una altura representativa. El análisis estructural tanto analítico como por simulación demuestra que el sistema soporta adecuadamente dichas cargas, manteniéndose por debajo del límite elástico del material. • Las deformaciones máximas se encuentran dentro de rangos aceptables, lo que garantiza la funcionalidad y durabilidad de la estructura. • El sistema cumple con los principios de diseño seguro establecidos por normas internacionales como ISO 14120, ISO 12100, ANSI A92.20 e incorpora buenas prácticas de ingeniería mecánica y prevención de riesgos laborales.
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