Estudi, descripció i millora d’una grua portuària per a l’elevació d’embarcacions d’esbarjo

CAPÍTOL 1: DESCRIPCIÓ DEL PROJECTE

1.1. Objectiu L’objectiu principal no és altre que el de tractar un tema dins l’àmbit de coneixement del estudis cursats; adquirint, millorant i consolidant les eines necessàries i imprescindibles atribuïbles a tot enginyer. Adquirir una visió global de tot el procés de disseny de qualsevol màquina (Estudi de mercat, especificacions, normativa, concepció, disseny, avaluació de riscs, pla de manteniment, fabricació i muntatge, memòria, pressupost, etc.), per tal de familiaritzar-se i posar a la pràctica els mètodes de disseny que s’utilitzen, permetent a la vegada el coneixement tant de l’existència com del funcionament de diferents elements, mecanismes i recursos que el mercat posa a disposició. Objectius més específics per aquest projecte són l’anàlisi complet de l’estructura d’una grua portuària de tipus pòrtic automotor a partir d’un model real, per tal de poder-ne optimitzar els elements que es creguin oportuns. Ser capaç d’introduir millores que permetin una millor funcionalitat i per tant una millor adaptació al mercat a on el producte va dirigit, o bé un abaratiment dels costos de producció i fabricació, són , també, objectius importants.

-7-

Albert Costell Cervera

1.2. Justificació El projecte final de carrera gira entorn a una grua tipus Travel Lift de 32 Tones dissenyada i fabricada per “Industrias electromecànicas S.A” sota el model GH35. La tria de la temàtica tractada bé donada per l’estreta relació que manté amb el món de l’enginyeria i especialment amb l’especialitat de la titulació cursada (especialitat mecànica). Les disciplines tractades són prou variades, van des de l’anàlisi i càlcul estructural fins l’estudi dels elements d’automatització i control, passant per l’anàlisi de diversos mecanismes o bé per exemple, el tractament anticorrosiu de les superfícies. Tot això amb unes limitacions evidents que es presenten en aquest tipus de documents acadèmics (econòmiques, de recursos, temporals, de capacitats, etc.), amb les quals s’ha treballat per tal de minimitzar-ne els impactes.

1.3. Abast El projecte pretén cobrir tots els aspectes relacionats principalment amb l’estructura, deixant, per futurs estudis altres parts de la grua com són els equips de propulsió, el circuit hidràulic, la instal·lació elèctrica, etc.

-8-

Estudi, descripció i millora d’una grua portuària per a l’elevació d’embarcacions d’esbarjo

CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ A LES GRUES TRAVEL LIFT

Aquest apartat té l’objectiu de donar a conèixer el protagonista inequívoc del present projecte, el Travel lift. No pretén ser un recull d’informació extens, sinó donar la oportunitat al lector de conèixer les característiques principals, d’un pòrtic automotor en les seves besants de concepció, evolució, funcionament, utilització i comercialització, etc. (veure Volum II PFC1 per a més informació)

-9-

Albert Costell Cervera

2.1. Generalitats Els diferents fabricants del sector ofereixen aquest producte en diferents models depenent bàsicament de les capacitats d’elevació. Es poden trobar models des de les 15 tones fins a les 1000 tones de capacitat d’elevació. El naixement d’aquest tipus de grua es va dur a terme des dels inicis del segle XX. Pel sector especialitzat en la maquinària d’elevació d’embarcacions la introducció al mercat d’una grua d’aquestes característiques va significar una autèntica revolució, donant peu a una major flexibilitat i a l’execució de maniobres més ràpides, segures i fiables. Un fet que ho constata és la conservació del seu principi de funcionament el qual es manté a dia d’avui. L’ empresa pionera en la fabricació d’aquest tipus de grua va ser “MarineTravelift”, presentant el primer model capaç d’aixecar fins a 7 tones l’any 1958. Tot i la gran oferta que ofereix el mercat en el sector d’elevació d’embarcacions, es pot dir que avui en dia és una màquina present en la majoria de ports tan esportius com de pesca de tot el món i per tant gaudeix d’un protagonisme més que destacat en el sector.

Figura 1. Fotografia en perspectiva d’un travel lift executant la maniobra d’ascens d’una embarcació de gran eslora.

- 10 -

Estudi, descripció i millora d’una grua portuària per a l’elevació d’embarcacions d’esbarjo

2.2. Components principals 2.2.1. Estructura La grua autopropulsada que es tracte en el present projecte consta bàsicament d’una estructura en forma de dos pòrtics paral·lels i units a si mateixos mitjançant un perfil perpendicular a ambdós estabilitzant el conjunt. Els pilars de cada un dels pòrtics transmeten els esforços al terra a través d’uns pneumàtics. El bastidor principal, constituïen dels dos pòrtics, està format per perfils de caixes laminades en calent especialment fabricades per a càrregues elevades. Aquests perfils es fabriquen de forma hermètica per tal d’evitar la corrosió de les parts interiors.

2.2.2. Equip de translació i gir L’equip de translació es qui s’encarrega de moure la grua entesa com tot el seu conjunt al llarg de la zona tècnica del port en qüestió, ho farà gràcies a quatre motors hidràulics muntats directament a cada una de les quatre rodes motrius, aquests motors ofereixen grans parells d’arrencada per poder afrontar situacions en què la grua treballi en terrenys inclinats (rampes de varada). El gir es s’efectuarà gràcies a una direcció accionada per un pistó hidràulic que a través d’un mecanisme articulat permetrà el gir d’una forqueta on va muntat el pneumàtic.

2.2.3. Equip d’elevació El moviment d’elevació és accionat també per un motor de tipus hidràulic, en realitat són dos un per a cada costat que accionen cabrestants diferents, aquests permeten l’enrotllament i desenrotllament del cable segons les necessitats.

2.2.4. Equip hidràulic L’equip hidràulic encapçalat per una bomba de desplaçament variable aconsegueix subministrar pressió a l’oli que accionarà cada un dels motors - 11 -

Albert Costell Cervera

constituents dels diferents sistemes d’elevació, translació i gir de la màquina. Les vàlvules permeten un augment del cabal de subministrament i per tant un augment de la velocitat progressiu i controlat. L’equip hidràulic a la seva vegada rep l’energia necessària a través d’un motor dièsel.

2.2.5. Equip d’accionament i control

Tots els controls necessaris es solen ubicar en una cabina de control coberta o descoberta (segons models), on hi ha un espai reservat per al conductor. La cabina de control s’ubica a la part posterior de la grua facilitant així una visió completa i un control que cobreixi totes les possibles situacions. Darrerament és freqüent que els fabricants ofereixin un sistema d’accionament ubicat també a la cabina de control però que permet la seva extracció convertintse així en un comandament de control remot.

- 12 -

Estudi, descripció i millora d’una grua portuària per a l’elevació d’embarcacions d’esbarjo

CAPÍTOL 3: DEFINICIÓ DE L’ESTRUCTURA

Aquest capítol permet la definició de l’estructura d’una grua d’aquestes característiques. Es determinen les dimensions principals, els perfils i materials utilitzats, es descriuen les diferents forces actuants considerades i les possibles combinacions segons normativa comunitària i finalment es defineixen restriccions i vinculacions tant interiors com exteriors. D’aquesta manera, al final del capítol, es disposa de tota la informació necessària per afrontar un posterior càlcul estructural.

NOTA: El model de travel lift GH35 del fabricant “Industrias electromecànicas S.A” servirà de referència per l’estudi que es desenvoluparà en pròxims apartats.

NOTA: Tots els eixos de coordenades del capítol i de la resta del document estan referenciats a les figures 6 i 7 de l’annex. Per altre banda la numeració de nusos i barres queda definit a les figures 8 i 9 també de l’annex.

- 13 -

Albertt Costell Cerve era

3..1. Dim mensio ons prrincipals de l’estruc ctura

Les dimensio ons expos sades seg guidament correspo onent al model GH H 35 dell fabricant “Industrias ele ectromecànicas S.A””.

Figura 2.Croqu uis pòrtic automotor amb a acotaciions de les dimensions princ cipals amb correspond dència amb b la taula 1.

Taula a 1.Dimenssions princiipals per un n pòrtic GH H-35 submin nistrades pel fab bricant “Ind dustrias ele ectromecánicas S.A”

MODEL GH H-35

metrres

A

6,27 7

B

5,6 6

C

7,01 1

D

5,64 4

E

6,25 5

M

6,2 2

- 14 -

Estudi, descripció i millora d’una grua portuària per a l’elevació d’embarcacions d’esbarjo

3.2. Perfils utilitzats

Els perfils utilitzats per a l’estructura de la grua analitzada són perfils armats en calaix, per tant la seva fabricació haurà de ser per encàrrec.

Figura 3. Esquematització d’un perfil armat

Les mides de cada una de les platines que formen el perfil armat seran de mides estandarditzades per un fabricant de referència. Tot i que en general es poden obtenir perfils de les dimensions que es vulgui s’han pres com a referència perfils catalogats per l’empresa TUBOS EUROPA, S.A (veure annex Taula 1). Els perfils hauran de ser prou estancs per tal de impedir fenòmens de corrosió en l’interior.

3.3. Material utilitzat

Tots els elements estructurals així com les plaques d’ancoratge, platines i nervis utilitzats per el posterior càlcul seran d’acer al carboni no aliat. La nomenclatura general per a l’acer seleccionat és F-1515 segons norma UNEEN 36011. (veure annex 56, 57 i 58). - 15 -

Albert Costell Cervera

Altres nomenclatures o designacions són St-52 segons norma DIN-17 200/210, o bé S355 JO segons nomenclatura utilitzada per l’Eurocódigo 3. (veure annex Taula 59). Segons norma UNE-EN 10025 les seves característiques principals són les indicades en la següent taula.

Taula 2. Característiques mecàniques i composició química per a l’acer F-1515 Característiques mecàniques €

Límit elàstic 2

Composició química (%)



Tensió de ruptura

C

Mn

Si

0,22

1,60

0,55

2

(N/mm )

(N/mm )

355

470

3.4. Descripció de forces actuants

Per determinar totes les forces actuants s’ha optat per seguir la metodologia marcada per a la norma FEM en la seva secció primera. Es poden distingir fins a quatre tipus de càrregues de diferents orígens actuant en diferents posicions de l’estructura. A continuació es detallaran el conjunt de forces considerades.

3.4.1. Sol·licitacions provocades per moviments verticals

La norma referència aquest tipus de sol·licitacions amb les forces procedents de la manipulació de la càrrega de servei, així com del les forces procedents de les acceleracions i desacceleracions provocades per la mateixa càrrega durant la seva l’elevació i el seu descens.

- 16 -

Estudi, descripció i millora d’una grua portuària per a l’elevació d’embarcacions d’esbarjo

En aquest grup s’inclouen: la càrrega a elevar i el pes propi de l’estructura. a) Càrrega a elevar Analitzant les forces que rep l’estructura per part de la càrrega a elevar, és a dir una embarcació, s’observa que en el cas d’haver-hi dues eslingues (com en el cas de la grua tractada), cada una d’elles rebrà una càrrega uniformement repartida al llarg de la seva superfície de valor P/2, essent P la massa total de l’embarcació a elevar.

Figura 4. Càrrega uniformement repartida aplicada a una de les dues eslingues.

Si bé es cert que es pot arribar a considerar aquesta càrrega com una càrrega puntual aplicada al centre de l’eslinga. Si es fa així s’obté el següent diagrama solid-lliure.

Figura 5. Diagrama solid-lliure a què es veu sotmesa l’eslinga degut a l’aplicació d’una càrrega P.

- 17 -

Albert Costell Cervera

La contextualització de l’eslinga analitzada en la grua dona peu a la següent figura.

Figura 6. Vista simplificada de l’estructura en un estat de càrrega P

Es poden doncs conèixer les reaccions en el punt A, o bé en qualsevol altre punt d’unió entre l’eslinga i l’estructura en el cas d’aquesta simplificació. Tenint en compte que la reacció en el punt A en component y tindrà valor P/4, s’obtindrà el valor de la reacció en x en funció d’un angle $.

- 18 -

Estudi, descripció i millora d’una grua portuària per a l’elevació d’embarcacions d’esbarjo

Les expressions que defineixen les reaccions en el punt A són: !"# $ %&'

!"( $ %&' ) *+,-./0

!" $ - 1!"# 2 3 - !"( 2

Figura 7. Reaccions en el punt A

Aquestes reaccions són de mateix valor en els tres punts restants de contacte entre l'estructura i l'eslinga (veure figura 6). Mitjançant un carro voladís s’aconsegueix que les components Ray i Rax es reparteixin en dos punts i no en un com fins ara s’havia considerat. (veure figures 8 i 9) El cable, nexe d’unió entre l’eslinga i l’estructura, és l’encarregat de traslladar la càrrega al llarg mecanisme d’elevació (torns, politges, carros, ancoratge, etc.) , i per tant degut al recorregut que aquest fa l’estructura es veu sotmesa a l’acció de diferents forces les quals poden mirar-se representades a les figures 8 i 9.

Figura 8. Distribució de càrregues aplicades a les barres 1 i 2 de valor P/8. elements blaus (politges fixes), elements grisos (politjes mòbilscarros voladís). - 19 -

Albertt Costell Cerve era

Figura 9. 9 Recorreg gut del cablle al llarg de d la barra 1 i 2.

Per a determinar la pos sició exacte del puntt d’aplicac ció de cada a força acttuant s’ha a cons siderat el cas c més desfavorable possible e. Això es tradueix e en una posició de la càrre ega el mà àxim centrrada, provocant d’aq questa ma anera un m moment màxim. m Els s valors de les posicions p d dels punts s d’aplicaciió venen determinat d ts per la ta aula 3.

Taula a 3. Valor de d les dimensions corrresponents als punts d d’aplicació de d les forces. (veure corrrespondència de tram ms amb figu ura 8).

Tram m

Dim mensions (mm) (

A

876

B

330

C

636

F

725

E

711

F

330

G

3254

- 20 -

Estudi, descripció i millora d’una grua portuària per a l’elevació d’embarcacions d’esbarjo

b) Pes Propi La força equivalent corresponent al pes propi s’aplica al centre de gravetat de l’estructura tal i com mostra la figura següent.

Figura 10. Representació esquemàtica de l’estructura amb la força equivalent del pes propi.

Per facilitar el posterior càlcul mitjançant elements finits, s’ha considerat adient analitzar un conjunt en el qual no s’hi incorporessin elements secundaris1. Aquest fet implica una modificació del valor de l’acceleració de la gravetat per tal que aquests elements siguin tinguts en compte en quant a l’atribució que aporten en l’augment del pes del conjunt. De no haver-ne considerat l’aportació d’aquests elements l’acceleració respondria, llògicament, al valor de 9,81 m/s2. Per tant caldrà obtenir un nou valor d’acceleració mitjançant la següent expressió.

4 ) 5 $ - 46 ) 5 6 Essent: 4-7- massa de l’estructura [Tn]-

57- acceleració de la gravetat [m/ss] 1

S’entén per elements secundaris aquells que no formen part de la pròpia estructura. Ho són: motor, dipòsits, molinets, escales d’accés, etc. - 21 -

Albert Costell Cervera

46 , massa total (estructura i elements secundaris) [Tn]56 7 acceleració que compleix la igualtat [m/ss]Substituint valors, .887'8 3 97:;0 )