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:
𝐸 = 𝑚 ⋅ 𝑔 ⋅ ℎ = 5 kg ⋅ 9.81 m/𝑠 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:
𝐹=
𝛿
0.01 m
=
= 7357.5 N
𝐸
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:
𝑞 = 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.
𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑞 ⋅ 𝐿 = 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):
𝑍≈
(𝑏 − 2𝑡)(ℎ − 2𝑡)𝑡
= 1.26 × 10-6 𝑚3
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:
▪
Momento flector máximo:
Mmáx =
▪
F ⋅ L 7400N ⋅ 1.2m
=
= 2220N ∙ m
4
4
Esfuerzo flexionante:
𝜎=
M
2220
=
= 1.76 × 109 𝑃𝑎 = 1760 𝑀𝑃𝑎
−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 =
▪
q ⋅ L2 1500 ⋅ 1.22
=
= 270 N ∙ m
8
8
Esfuerzo:
𝜎=
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.