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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

versão On-line ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr vol.32 no.4 San José de las Lajas oct.-dez. 2023  Epub 01-Dez-2023

 

NOTA TÉCNICA

Análisis de la estructura metálica de un invernadero destinado a la agricultura vertical automatizada

0000-0001-9603-2856María Victoria Gómez-ÁguilaI  *  , 0000-0002-1071-3923Luis Tonatiuh Castellanos-SerranoI  , 0000-0001-8950-1992José Alfredo Castellanos-SuárezI  , 0000-0002-2746-8688Marcelino Aurelio Pérez-VivarI  , 0000-0002-0539-1114Arturo Martínez RodríguezII 

IUniversidad Autónoma Chapingo, Centro de Investigaciones Interdisciplinarias y de Servicio en Ciencia, Naturaleza, Sociedad y Cultura, Texcoco. Estado de México, México.

IIUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

En el presente trabajo se realiza el análisis de la estructura metálica que conforma un invernadero destinado a la producción de hortalizas, empleando tecnología de agricultura vertical y que será instalado en la Comunidad San Juan Raboso, perteneciente al Municipio Izúcar de Matamoros, Estado de Puebla, México, en respuesta a las necesidades de alimentación de la comunidad y como parte del proyecto estratégico que desarrolla el Centro de Investigaciones Interdisciplinarias y de Servicio en Ciencia, Naturaleza, Sociedad y Cultura (CIISCINASyC). El análisis de la estructura metálica que conforma el invernadero se realizó aplicando el Método de los Elementos Finitos. El objetivo del trabajo consistió en evaluar la capacidad de resistencia y funcionalidad del invernadero mediante la determinación del sistema de cargas que actúa sobre el invernadero, así como de la distribución de tensiones y desplazamientos en la estructura.

Palabras-clave: casa-alimentos-análisis-seguridad

INTRODUCCIÓN

Durante los últimos 30 años en México, la política económica hegemónica a nivel mundial y su implementación, agudizó el problema de la soberanía y la seguridad alimentaria, acentuados por la recesión económica que ha ocasionado la pandemia de Covid19. Una alternativa de solución a esta problemática, se apoya en la producción de vegetales y hortalizas para el autoabastecimiento familiar urbano-periurbano, empleando módulos de agricultura vertical automatizados, los cuales son objeto de aplicación en la comunidad San Juan Raboso, Municipio Izúcar de Matamoros, Puebla.

De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO, por sus siglas en inglés), anualmente se desperdicia aproximadamente un tercio de los alimentos producidos a nivel mundial para consumo humano (Kosai, 2013; FAO, FIDA, OPS, WFP y UNICEF, 2018; Banco Interamericano de Desarrollo, 2020). Como vía para reducir las consecuencias de los desperdicios de recursos, se creó una nueva forma de cultivo agrícola, consistente en módulos verticales automatizados, que son colocados dentro de invernaderos y que deben ser diseñados garantizando su funcionalidad. Estos módulos requieren de lámparas eléctricas o de diodo (LED), acondicionadores de aire, ventiladores, unidades de suministro de CO2 y nutrientes (Kosai, 2013), siendo necesario garantizar la integridad física, tanto de estos componentes, como de la estructura y cubierta del propio invernadero, considerando la diversidad de las cargas a que estará sometida, compuesta por el peso propio de la estructura y sus componentes, el posible azote de vientos de alta intensidad y el peso del cultivo, entre otras.

Es en este sentido que se plantea como objetivo de este trabajo, efectuar un análisis de esfuerzos y deformaciones que se producen sobre este tipo de estructura, con vistas a evaluar su resistencia al sistema de cargPaas al que puede estar sometido.

Para el análisis se emplea el Método de los Elementos Finitos (MEF), de amplia aplicación en el análisis estructural (Agudelo-Manrique et al., 2015; Toledo-Freire, 2015; Besa-Gonzálvez y Chuliá, 2016; CFE-México, 2017; González et al., 2017; Faires, 2018; Ortiz-Domínguez et al., 2018; Vanegas-Useche, 2018).

MATERIALES Y MÉTODOS

El proceso de trabajo para el análisis de la estructura, consta de tres pasos fundamentales: elaboración del modelo tridimensional digitalizado de la estructura, determinación de las cargas y aplicación del Método de Elementos Finitos a partir de la aplicación de las cargas sobre el modelo digitalizado.

Las cargas a aplicar se componen de:

  • Las cargas asociadas al peso propio de la estructura metálica de la casa de cultivo.

  • Las cargas producidas por las cubiertas plásticas y los elementos de protección antiáfidos.

  • Las cargas producidas por las condiciones meteorológicas (vientos, granizos).

  • Las cargas asociadas al peso propio del cultivo, objeto de producción en el invernadero.

Peso de la estructura metálica (PEM)

El cálculo del peso del objeto de estudio, se determina como:

PEM=MEM.g,N (1)

donde:

  • g: aceleración de la gravedad (g): 9.81 m/s2

  • MEM: masa de la estructura metálica, la cual está dada por

MEM=γAc.VEM,kg (2)

siendo:

  • VEM: volumen de la estructura metálica, m3

  • γAc: densidad del acero, γAc, kg/ m3

El volumen de la estructura es obtenido automáticamente del software utilizado en su digitalización (SolidWorks), mientras que el valor de la densidad es tomado de la biblioteca de materiales del propio software.

Peso de cubiertas y mallas (FCM)

El peso de la cubierta y mallas contempla: el peso del plástico que cubre la ventana cenital (PPVC), el peso del plástico del arco superior a la izquierda (PASIZQ), el peso del plástico del arco menor a la derecha (PAMDER), el peso del plástico de las cortinas laterales (PPCL), el peso del plástico que cubre la parte frontal (PPFP ) y el peso de la malla antiáfidos (PMAA).

Para la determinación del peso de las cubiertas de plástico se utilizan las especificaciones técnicas (Tabla 1) establecidas por la Comunidad Izúcar de Matamoros.

TABLA 1 Especificaciones técnicas 

Tipo Descripción
Plástico blanco lechoso
Calibre 720
Densidad γp= 0.19 kg/m2
Porcentaje de sombra 30 %
Protección UV

El peso del plástico que cubre la ventana cenital (PPVC) se determina según la expresión:

PPVC=M(T).g,N (3)

Siendo:

M(T)=γ.A,kg (4)

donde:

  • MT :masa del plástico de la ventana cenital, kg.

  • A: área de la sección transversal de la ventana cenital, m2.

  • γπ: densidad por unidad de área del plástico, kg/m2.

  • g: aceleración de la gravedad; g = 9.81 m/s2.

El área de la ventana cenital se determina mediante la expresión:

A=L.B,m2 (5)

donde:

  • L: longitud de la ventana cenital; L = 50 m,

  • B: ancho de la ventana cenital; B = 1.43 m

El peso del plástico del arco superior a la derecha (PASder) se determina según las expresiones:

PASder=M(T).g,N (6)

M(T)=γ.AASder,kg (7)

donde:

AAS Izq :  área del arco superior a la derecha, dada por:

AASder=LASder.Linv,m2 (8)

donde:

LAS Izq: longitud del arco superior a la derecha; LASder=4.99m Linv: largo del invernadero; Linv=50m

El peso del plástico que cubre la parte frontal(PPcp) se determina según la ecuación (9) y depende de la cantidad de estructurales metálicos del invernadero. El diseño del invernadero lo componen 6 columnas y 10 postes de carga.

PPcp=PPcf+PPDA16,N (9)

donde:

  •  PPcf: peso del plástico de la cortina frontal, N

  • PPDA : peso del plástico por debajo de los arcos hasta la barra de tutoreo, N.

El peso de la malla antiáfidos (PMAA ) se determina mediante la ecuación (10).

PMAA=γMAAAMAAg,N (10)

donde:

γMAA :  densidad por unidad de superficie del material de la malla antiáfidos; γMAA=0,123kgm2 g: aceleración de la gravedad; g=9,81ms2 AMAA:  área de la malla antiáfidos:

AMAA=LMAAhMAA,m2 (11)

donde:

LMAA : largo malla antiáfidos; LMAA=50 m hMAA: ancho malla antiáfidos; hMAA=4.20m

Las cargas aerodinámicas producidas por el viento se determinaron teniendo en cuenta las normas y especificaciones para estudios, proyectos, construcción e instalaciones: (ASCE, 2005; NIFED-México, 2011; NMX-E-255-CNCP-2013, 2013; INIFED-México, 2017).

La carga de los efectos del viento (qi), sobre la sección de la estructura metálica o componente de la misma, objeto de análisis, se determina mediante la expresión general:

qi=(q10*Ct*Cs*Ch*Cr*Cra)*Cf (12)

donde:

  • q10:  presión básica del viento, kN/m2.

  • Ct: coeficiente de recurrencia.

  • Cs:  coeficiente de topografía o sitio.

  • Ch:  coeficiente de altura.

  • Cr:  coeficiente de ráfaga.

  • Cra:  coeficiente de reducción por área expuesta.

  • Cf:  coeficiente de forma o aerodinámico.

La presión básica del viento, se determina por:

q10=V1021.6*103 (13)

donde:

V10: velocidad regional, que se define como la velocidad máxima del viento que se presenta a una altura de 10 m sobre el lugar de desplante de la estructura, para condiciones de terreno plano con obstáculos aislados (m/s).

Las cargas qi (kN/m2), se determinan en las diferentes secciones del invernadero, tales como: la estructura lateral a la izquierda (q3izq ); la estructura lateral a la derecha (q3der ); la porción de la estructura izquierda del arco inferior (q1 ); la porción de la estructura derecha del arco inferior (q2 ) y la porción de la estructura del arco superior (q1sup ).

Las fuerzas Fi (kN) resultantes en cada sección del invernadero producto de la acción aerodinámica del viento, se determinan en función de las cargas qi , considerando las áreas correspondientes Ai (m2) de cada sección.

La fuerza Fgr (kN) debido a la masa del granizo en los canalones, se determina de acuerdo a la NORMA MEXICANA NMX-E-255-CNCP-2013 (2013), que establece como base 30 kg por metro lineal en el canalón.

Para el cálculo de la Fuerza aplicada sobre la estructura debido al peso del cultivo Pc (kN), se selecciona el jitomate y se determina de acuerdo a la norma Mexicana NMX-E-255-CNCP-2013 (2013), según la cual, el cultivo del jitomate es considerado de carga pesada, equivalente a 35 kg/m2..

Para la modelación digitalizada en 3D de la estructura del invernadero se emplea el programa SolidWorks 2018, así como para la realización del análisis de tensiones y deformaciones mediante el método de los elementos finitos. Como material de la estructura se declara acero ASTM A-36 con densidad γAc = 7850 kg/m3 y límite elástico σe = 250 MPa.

Para efectuar el análisis de resistencia y deformaciones se somete el modelo digitalizado de la estructura objeto de estudio, al sistema de cargas calculado, aplicándose el Método de los Elementos Finitos (MEF) para la determinación de la distribución de tensiones y deformaciones. El cálculo se efectúa sobre una sección transversal del túnel de la estructura metálica, ubicada en una esquina del invernadero, considerando que esta sección está sometida a las condiciones más severas de carga.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En las Figuras 1 y 2 se muestran el modelo tridimensional de la estructura metálica del invernadero, así como la sección del módulo básico.

FIGURA 1 Estructura metálica del invernadero. 

FIGURA 2 Modelo digitalizado del módulo básico de la estructura. 

Las principales características geométricas del invernadero se brindan en la Tabla 2.

TABLA 2 Características geométricas del invernadero 

Especificaciones Magnitudes
Ancho del invernadero 40 m
Profundidad 50 m
Altura hasta la base del arco inferior 5 m
Altura hasta la base de la ventana cenital 8 m
Ángulo hasta la línea media del arco inferior 350
Ángulo hasta la línea media del arco de la ventana cenital 600

Cargas asociadas al peso propio de la estructura metálica de la casa de cultivo

El peso de la estructura metálica (PEM) se determinó mediante la ecuación (1), obteniéndose el volumen de la sección de estructura objeto de análisis, directamente como salida del programa SolidWorks y asimismo, la densidad del material fue tomada de la bibliloteca de materiales del propio software. Como resultado se obtienen los siguientes valores:

VEM=0.0229m3

γAc=7850kg/m3

PEM=1,76kN

Cargas producidas por las cubiertas plásticas y los elementos de protección antiáfidos.

El resultado del cálculo de las diferentes cargas debido al peso de las cubiertas y mallas que actúan sobre la estructura del invernadero se muestra en la tabla 3.

TABLA 3 Cargas que actúan sobre el invernadero producto del peso de las cubiertas y mallas 

Denominación Símbolo Unidad Valor Observaciones
Peso del plástico ventana cenital PPVC N 9 519,0 Expresiones 3, 4 y 5
Peso del plástico del arco menor a la derecha PAMder N 37,9 Expresiones 6, 7 y 8
Peso del plástico de cortinas laterales PPCL N 34,6
Peso del plástico de la cortina frontal PPcf N 402,0
Peso del plástico por debajo de los arcos hasta la barra de tutoreo PPDA N 21,9
Peso del plástico que cubre la parte frontal Pcp N 26,5 Expresión 9
Peso de la malla antiáfidos PMAA N 18,1

De la tabla se aprecia que el peso correspondiente al plástico de la ventana cenital es el de mayor significación, seguido del de la cortina frontal, mientras que el resto presentan valores mucho menores.

Cargas producidas por las condiciones meteorológicas (vientos, granizos)

Para el cálculo de las cargas aerodinámicas, fue necesario previamente determinar los coeficientes contenidos en la expresión (12). En la Tabla 4 se muestra el resultado de la determinación, según las normas, de los coeficientes requeridos para la determinación de las cargas aerodinámicas

TABLA 4 Valores de los coeficientes para la determinación de las cargas aerodinámicas 

Denominación Símbolo Valor Observaciones
Coeficiente de recurrencia Ct 1,0 Vida útil: 10 años
Recurrencia: 50 años
Coeficiente de topografía o sitio Cs 1,10 Condiciones severas
Coeficiente de altura Ch 1,0 Terreno abierto
Altura invernadero ≤ 10 m
Coeficiente de ráfaga. Cr 1,20 Altura invernadero ≤ 10 m
Coeficiente de reducción por área expuesta. Cra 0,90 Área de exposición ≤ 50 m2
Coeficiente de forma o aerodinámico.. Cf NMX-E-255-CNCP (2013)
Coef de forma estructura lateral izquierda Cf3izq 0,80 NMX-E-255-CNCP (2013)
Coef de forma estructura lateral derecha Cf3der -0,43 NMX-E-255-CNCP (2013)
Coef de forma porción izquierda arco inferior Cf1 -0,325 NMX-E-255-CNCP (2013)
Coef de forma porción derecha arco inferior Cf2 -0,40 NMX-E-255-CNCP (2013)
Coef de forma porción arco superior Cf1sup 0,30 NMX-E-255-CNCP (2013)

El resultado del cálculo de las cargas aerodinámicas que actúan sobre el invernadero se muestra en la Tabla 5.

TABLA 5 Cargas aerodinámicas que actúan sobre el invernadero 

Denominación Símbolo Unidad Valor Observaciones
Presión básica del viento q10 kN/m2 0, 694 Expresión 13. Se toma V10=120 km/h (33,3 m/s)
Carga de la estructura lateral a la izquierda q3izq kN/m2 0,659 Expresión 13; Coeficientes de Tabla 3.
Carga de la estructura lateral a la derecha q3der kN/m2 - 0,354
Carga en la porción de la estructura izquierda del arco inferior q1 kN/m2 - 0,267
Carga en la porción de la estructura derecha del arco inferior q2 kN/m2 - 0,329
Carga en la porción de la estructura del arco superior qIsup kN/m2 0,247
Fuerza en la porción de la estructura del arco superior FVC kN 14,498
Fuerza del viento en el arco inferior FV1 kN -2,932
Fuerza en la porción derecha del arco inferior FV2 kN -35,153
Fuerza lateral en la columna izquierda FV2IZQ kN 5,794
Fuerza lateral en la columna derecha FV2DER kN 2,382

Para el cálculo de la carga originada por el granizo, se tiene en cuenta la Norma Mexicana NMX-E-255-CNCP-2013 (2013), que establece para propósitos de cálculo, tomar como base 30 kg por metro lineal en el canalón, En la Tabla 6 se detallan las especificaciones tomadas en consideración y los resultados del cálculo.

TABLA 6 Especificaciones para el cálculo de la carga originada por el granizo 

Especificaciones Magnitudes
Distancia entre columnas; Dc 3.57 m
Masa del granizo, entre dos columnas; MGRC 107.1 kg
Peso del granizo en canalón distribuidos en los dos canalones; PGRC 525.32 N
Carga unitaria del granizo en el canalón; Cc 30 kg/m

Cargas asociadas al peso propio del cultivo

Para el cálculo del peso propio del cultivo, objeto de producción en el invernadero, se selecciona el jitomate, que de acuerdo a la Norma Mexicana NMX-E-255-CNCP-2013 (2013), es considerado de carga pesada, equivalente a 35 kg/m2. El peso del cultivo afecta a la estructura metálica del invernadero ya que está fijado a la barra de tutorado. El área disponible entre 4 columnas del túnel, es igual a 32 m2, aproximadamente por lo que la carga total del cultivo, incluyendo sus frutos, y el resto de la planta será igual a 1120 kg.

Análisis de tensiones y deformaciones

Una vez determinado el sistema de cargas a que estará sometida la estructura del invernadero, se procede a realizar un análisis de tensiones y deformaciones con vistas a evaluar la capacidad de resistencia de la estructura ante el sistema de caras aplicado. A los efectos, se somete el modelo digitalizado de la estructura objeto de estudio a un análisis estático, mediante el Método de los Elementos Finitos, empleando el programa SolidWorks.

Una vez aplicadas las cargas, restricciones, opciones de contacto y el mallado de la estructura, se obtiene como resultado, las distribuciones de tensiones (Fig.3), coeficiente de seguridad (Fig. 4) y desplazamientos (Fig. 4) en el módulo de la estructura objeto de estudio.

FIGURA 3 Distribución de tensiones normales en la estructura objeto de estudio. 

En la Figura 3 se observa que la tensión normal máxima asciende a 95,2 MPa, estando ubicado en la intersección entre el extremo inferior del bastón de la ventana cenital y el arco inferior del túnel, mientras que el esfuerzo normal mínimo (0,2 MPa) se registra próximo al nodo de intersección entre la barra de carga y el poste de carga a la derecha del túnel.

Asimismo se comprueba que esta tensión es inferior al límite elástico del material (250 MPa), obteniéndose un coeficiente de seguridad mínimo de 2,63, lo cual se verifica en la Figura 4. Este coeficiente de seguridad a la resistencia se encuentra en el rango permisible establecido por el usuario (entre 2,5 y 3,0), corroborándose que la estructura es funcional y segura.

En cuanto a los desplazamientos, puede apreciarse (Figura 5), que el máximo desplazamiento alcanza 46,11 mm, el cual, teniendo en cuenta que la longitud del elemento donde se produce es del orden de los 8000 mm, puede considerarse poco significativo, garantizándose que no provocará afectaciones físico-estructurales en la estructura del invernadero, que limiten su funcionalidad.

FIGURA 4 Distribución del coeficiente de seguridad. 

FIGURA 5 Distribución de los desplazamientos. 

CONCLUSIONES

Como resultado de la determinación del sistema de cargas que actúa sobre la estructura de un invernadero, considerando tanto las cargas del peso propio de la estructura, como de las cubiertas, el peso del propio cultivo y los efectos del viento y granizos, se determina, aplicando estas cargas a un modelo digitalizado del invernadero mediante el Método de los Elementos Finitos, que las tensiones normales máximas, sobre la estructura, alcanzan 95,2 MPa, para un coeficiente de seguridad mínimo de 2,63 con relación al límite de elasticidad del material que compone la estructura metálica del invernadero. Asimismo, se determina un nivel máximo de desplazamientos de 46,11 mm, lo que se considera que no lilmita la funcionalidad de la estructura.

REFERENCES

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Recibido: 10 de Abril de 2023; Aprobado: 01 de Septiembre de 2023

*Author for correspondence: María Victoria Gómez-Águila, e-mail: mvaguila@hotmail.com, mgomeza@chapingo.mx

María Victoria Gómez-Águila, Profesora e Investigadora, Universidad Autónoma Chapingo, Centro de Investigaciones Interdisciplinarias y de Servicio en Ciencia, Naturaleza, Sociedad y Cultura, Texcoco de Mora. Estado de México, México, e-mail: mvaguila@hotmail.com, mgomeza@chapingo.mx

Luis Tonatiuh Castellanos-Serrano, Profesor e Investigador, Universidad Autónoma Chapingo, Centro de Investigaciones Interdisciplinarias y de Servicio en Ciencia, Naturaleza, Sociedad y Cultura, Texcoco de Mora. Estado de México, México, e-mail: lcastellanoss@chapingo.

José Alfredo Castellanos-Suárez, Profesor, Investigador, Centro de Investigaciones Interdisciplinarias y de Servicio en Ciencia, Naturaleza, Sociedad y Cultura. Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola. Universidad Autónoma Chapingo. CP 56200. Texcoco de Mora. Estado de México, México. jcastellanoss@chapingo.mx.

Marcelino Aurelio Pérez-Vivar, Profesor e Investigador, Universidad Autónoma Chapingo, Centro de Investigaciones Interdisciplinarias y de Servicio en Ciencia, Naturaleza, Sociedad y Cultura, Texcoco de Mora. Estado de México, México, e-mail: mperezv@chapingo.mx.

Arturo Martínez-Rodríguez, Dr.Cs. Prof. Titular e Inv. Titular, Prof. de Mérito. Universidad Agraria de La Habana (UNAH). Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, e-mail: armaro646@gmail.com.

Los autores de este trabajo declaran no presentar conflictos de interés

CONTRIBUCIONES DE AUTOR: Conceptualización: M. V. Gómez, A. Martínez Curación de datos: M. V. Gómez, L. Castellanos, Análisis formal: M. V. Gómez, J. Catellanaos, Investigación: M. V. Gómez, L. Castellanos, J. Catellanaos, M. Pérez, Metodología: M. V. Gómez, Software: M. V. Gómez, Supervisión: M. V. Gómez, L. Castellanos, Validación: M. V. Gómez, J. Catellanaos, Visualización: M. V. Gómez, Redacción-borrador original: M. V. Gómez, L. Castellanos, M. Pérez. Redacción-revisión y edición: M. V. Gómez, L. Castellanos, J. Catellanaos

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