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PROYECTO DE GRADO: DISEÑO ESTRUCTURAL PARA UN SISTEMA
ACUAPÓNICO/HIDROPÓNICO Y CON ENERGÍA SOLAR.
JUAN DAVID ARDILA CRUZ
201415322
EDGAR ALEJANDRO MARAÑON LEON
ASESOR
Bogotá, 2019
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
LÍNEA DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL
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Tabla de contenido
1. Introducción ……………………………………………………………………… 4
1.1 Aspectos preliminares…………………………………………………………4
1.2 Antecedentes del problema……………………………………………………4
1.3 Planteamiento del problema y solución………………………………………5
1.4 Objetivos……………………………………………………………………….7
1.4.1 Objetivos específicos………………………………………………………..7
2. Marco teórico……………………………………………………………………...7
2.1 Marco teórico………………………………………………………………….7
2.2 Marco metodológico………………………………………………………….12
3. Diseño iterativo …………………………………………………………………...16
4. Diseño……………………………………………………………………………....23
4.1 Análisis estructural……………………………………………………………26
4.1.1 Características del material ………………………………………….26
4.1.2 Métodos de sujeción y ensamblaje……………………………………27
4.1.3 Análisis de elementos finitos…………………………………………..34
5. Costos ………………………………………………………………………………38
6. Manufactura ………………………………………………………………………38
7. Ensamblaje ………………………………………………………………………..40
8. Proyectos adicionales……………………………………………………………...46
9. Conclusiones……………………………………………………………………….49
10. Referencias………………………………………………………………………...50
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Agradecimientos
En primer lugar quiero agradecer a mi asesor Edgar Alejandro Marañón, Doctor en
Ingeniería Mecánica en quien con sus conocimientos y apoyo me guio a través de cada
una de las etapas de este proyecto para alcanzar los resultados que buscaba.
También quiero agradecer a la Universidad de los Andes por brindarme todos los recursos
y herramientas que fueron necesarios para llevar a cabo el proceso de investigación.
Por último, quiero agradecer a todos mis compañeros y a mi familia, por apoyarme
incondicionalmente en mi proceso de realización. En especial, quiero hacer mención de
mis padres, que siempre me brindaron su ayuda y me formaron para ser la persona que
soy. Muchas gracias por sus palabras de ánimo e incondicional apoyo
Muchas gracias a todos.
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1. Introducción.
1.1 Aspectos preliminares
En Colombia el sector agrícola representa una de las fuentes de ingresos más grandes del
país a lo largo de la historia, según la revista el portafolio, en Colombia la contribución
del sector agrícola al PIB era de 68% en 1965, para pasar luego a un 24%, en 1975. Para
1990, la contribución agrícola ascendía a 18%. Para 2017 ese porcentaje de contribución
se calcula en tan sólo 6% y así el porcentaje de participación del sector agrícola es cada
vez más bajo. Esto se debe a que la economía del país se ha basado principalmente en la
minería y derivados del petróleo, además de una seria de problémicas que han producido
la deserción de la población de este sector y la migración de estos a nuevas economías.
Según el estudio realizado por la revista Dinero, los problemas del campo colombiano
radican en la pobreza, inseguridad, altos costos de los insumos y del transporte, así como
la competencia desigual frente a países desarrollados, que tienen subsidios al agro y
cuentan con infraestructura y tecnología adecuadas a este sector. Siendo estas las
principales causas de deserción de los trabajadores en el sector agrícola y la baja
representación económica del mismo en el mercado actual.
Colombia solo utiliza 24% del terreno apto para procesos agrícolas, siendo esto un motivo
de preocupación por el bajo aprovechamiento del terreno y a su vez una oportunidad para
la producción de más alimentos. Esto comparado con un rezago del 97% de uso de tierras
aptas por parte de potencias en producción de alimentos como Estados Unidos y la Unión
Europea, plantea una oportunidad para Colombia como productor de alimentos.
1.2 Antecedentes del problema
Mientras que en países como Estados Unidos desarrollan tecnologías de cultivos, para
producir alimentos en espacios reducidos, condiciones ambientales extremas y poco
consumo de agua. En Colombia la gran mayoría del sector establece su trabajo en los
métodos convencionales de labranza, usados desde hace varios años, presentando pocos
avances tecnológicos en la producción de alimentos, haciendo que el país sea poco
competitivo a nivel mundial y bajando la presencia del sector agrícola en el mercado
internacional como lo muestra el DANE y la DIAN en su informe de exportaciones
(Ilustración 1), en donde el sector agropecuario, alimentos y bebidas representa el 18,6%
del total de exportaciones, teniendo una disminución del 11,9% en relación con el año
inmediatamente anterior
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Ilustración 1. Boletín de exportaciones 2019 (DANE)
Adicionalmente a causa del surgimiento de nuevas economías la mayoría de la población
ha migrado a los campos en búsqueda de mejores oportunidades laborales, dando como
resultado una acumulación del 77.1% de la población colombiana en zonas urbanas,
generando un problema de reducción de espacios, escases de alimento y seguridad
alimentaria (concepto que hace referencia a la disponibilidad de alimentos, el acceso de
las personas a ellos y el aprovechamiento biológico de los mismos).
Ilustración 2. Distribución de la población por ubicación 2018 (DANE)
1.3 Planteamiento del problema y solución.
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Como se describió anteriormente uno de los principales problemas del sector agrícola en
Colombia es baja infraestructura adecuada y poca tecnificación en el sector rural, además
de un problema de poco espacio apto para cultivo y seguridad alimentaria en el sector
urbano. En la actualidad muchos de los países que lideran la producción de alimentos
como Estados Unidos, China y Alemania utilizan métodos de producción de alimentos
como la hidroponía y la acuaponía, los cuales son métodos de cultivo innovadores que
dan solución a la problemática de espacio y seguridad alimentaria que presentan estos
países, como se mostró anteriormente, dichos países han usado casi la totalidad del
espacio cultivable que poseen.
Adicionalmente frente al problema de baja tecnificación en varias regiones de los Estados
Unidos se ha implementado nuevo modelo, que integra la energía solar y la agricultura,
que se ha empezado a llamar los “agrivoltaicos”.
Este tipo de cultivos genera los siguientes beneficios; la sombra de los paneles solares,
mejora los rendimientos agrícolas, en cultivos que sufrirían fuerte estrés a cielo abierto y
que requerirían, por lo tanto, más riego; a su vez, los cultivos enfriarían el ambiente
llevando a una mayor eficiencia de las celdas fotovoltaicas, en horas cuando el sol es más
intenso; y finalmente se aprovecharían de mejor forma grandes extensiones de tierra,
ocupadas por los parques solares, produciendo alimentos.
Ilustración 3.Cultivo agrivoltaico
Para este proyecto de grado se dará una solución parte de la problemática del cultivo en
Colombia, dando mediante el uso de las tecnologías mencionadas anteriormente de
cultivos acuapónicos, hidropónicos y de recolección y almacenamiento de energía solar.
Frente a la baja infraestructura se planteará una estructura que permita la implementación
de las tres tecnologías en un solo sistema, autosostenible y retroalimentado, además de
permitir el uso de espacios reducidos para llevar a cabo procesos de siembra.
Adicionalmente se implementará tecnología que permita tener conocimiento de las
condiciones reales a las que está sometido el sistema y el cultivo, usando sensores de
presión atmosférica, humedad relativa, temperatura, pH y luminosidad.
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Ilustración 4. Cultivo hidropónico
1.4 Objetivos
Diseñar e implementar una propuesta que permita dar una solución a los problemas que
presenta el sector agrícola en Colombia, combinando las tecnologías de recolección y
almacenamiento de energía solar, hidroponía y acuaponía.
1.4.1 Objetivos específicos
a) Generar una estructura de cultivo interactiva, que permita el aprendizaje
experimental y cumpla con los requerimientos técnicos, espaciales y de diseño
requeridos
b) La estructura debe facilitar la implementación de sistemas de control y
automatización.
c) El diseño debe ser modular, estructura permite manipular el crecimiento de esta
en casi cualquier espacio, ya sea rural o urbano
2. Marco referencial
a. Marco teórico
Producción agrícola
Es el resultado de la práctica de la agricultura, que consiste en generar vegetales para
consumo humano. Este modelo de producción ha estado presente en la historia desde hace
varios años, posicionándose como uno de los modelos más importantes para el hombre.
Con el tiempo ha variado mucho en sus formas de aplicación logrando mejoras
significativas implementando nuevas herramientas y procesos. Desde el punto de vista
social, la producción agrícola ha sido fundamental para facilitar las condiciones de
existencia de la especie, siendo uno de los pilares más importantes para la producción de
alimentos.
La producción agrícola significó un cambio en la sociedad. Con anterioridad, los hombres
debían vagar por la Tierra en busca de alimentos para consumir; una vez que se agotaban
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en un lugar por el mismo consumo o por las condiciones ambientales debían desplazarse
a otra zona que ofreciese los recursos para sobrevivir. Esta situación se extendió hasta el
neolítico donde el hombre aprendió a cultivar la tierra. Esta circunstancia posibilitó que
se estableciese en un lugar fijo, hecho que facilitó el surgimiento de las ciudades. Desde
el punto de vista económico implico un aumento en la productividad.
Actualmente con el aumento de la población a nivel mundial y la perspectiva de que dicho
crecimiento continúe se hace necesaria el aumento en la producción de alimentos con el
fin de suplir las demanda de estos. Dada esta circunstancia, la aplicación de diversas
innovaciones tecnológicas se hacen fundamentales para aumentar la producción de
alimentos.
Aprendizaje experiencial
Este modelo de aprendizaje ofrece la oportunidad para conectar la teoría y la práctica.
Cuando los estudiantes se enfrentan al desafío de responder a un amplio abanico de
situaciones reales, se posibilita en ellos lograr un aprendizaje significativo,
contextualizado, trasferible y funcional y se fomenta su capacidad de aplicar lo aprendido
Hidroponía
La hidroponía es un referente a la agricultura sin suelo, es un método para cultivar plantas
utilizando disoluciones minerales, un huerto hidropónico funciona con las raíces en
suspensión y con soportes variados que pueden ir desde la corteza, hasta la grava o la
espuma.
Ilustración 5. Esquema de un jardín hidropónico
Existen 3 principales tipos de técnica hidropónica:
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NFT:
Se usa para el cultivo de hortalizas en tubos de PVC, utilizando agua con nutrientes sin
ningún tipo de sustrato, es decir, la planta dispone directamente de los minerales que
necesita para su crecimiento.
RAÍZ FLOTANTE:
Permite cultivar hortalizas en cajones de madera o plástico, sobre una placa de unicel que
flota en agua con nutrientes, facilitando el manejo y el espacio del que se dispone.
EN SUSTRATO:
Es uno de los métodos más utilizados cultivar hortalizas como tomates, ya que por el
tamaño no se pueden cultivar en las técnicas antes mencionadas; permite utilizar sustratos
como tezontle, agrolita y vermiculita.
Este tipo de cultivo presenta grandes ventajas en relación con la siembra convencional,
algunas son:
I. Estabilidad de las producciones a lo largo del año.
II. Ahorro de recursos, fundamentalmente de agua gracias a la reutilización de esta.
III. Garantía en los alimentos de consumo por la ausencia de productos químicos y de
riesgos de enfermedades que se producen en la tierra.
IV. Menor vulnerabilidad a elementos externos como, las inclemencias meteorológicas
o plagas propias del cultivo tradicional.
V. La hidroponía hace posible cultivar incluso en forma casera, ya que los cultivos
hidropónicos se adaptan a cualquier tipo de espacio y condiciones.
Acuaponía
La acuaponía se deriva de la combinación de la práctica de “acuicultura” (producción de
organismos acuáticos) y ‘hidroponía’ (producción de plantas sin suelo). Es un sistema
sustentable de producción de plantas y peces.
Este método de cultivo puede describir su principio de funcionamiento de la siguiente
forma: los peces, una vez expulsan los desechos de lo que comen, producen el fertilizante
rico en nutrientes, que después será distribuido en las plantas.
Una vez, el ‘fertilizante’ natural es extraído de los peces, este es bombeado hacia la parte
superior del sistema, donde es absorbidos por las plantas. Al mismo tiempo, las raíces
purifican el agua cuando retiran dichos nutrientes, el cual vuelve hacia abajo, a donde
están los peces. De esta manera se garantiza agua limpia para los peces y nutrientes para
las plantas.
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Ilustración 6.Esquema de un modelo acuapónico
Esta práctica puede suponer la reducción del consumo de agua en un 90% en comparación
con la agricultura tradicional. Esta es una muy buena noticia para el sector agrícola, que
utiliza alrededor del 70% del agua dulce disponible a nivel mundial.
Este tipo de cultivo presenta casi todos los beneficios del cultivo hidropónico
mencionados anteriormente, pero al albergar varias especies vivas requiere de más
cuidados. Dichos cuidados se mencionan a continuación.
I. Tanques para peces son un componente clave, aunque cualquier tanque
funcionaria, se recomiendan tanques redondos con fondos planos o cónicos por
mantenimiento.
II. Garantizar aireación y circulación del agua. Para esto es recomienda el uso de
bombas de agua y aire para garantizar que el agua tenga altos niveles de oxígeno
disuelto y un buen movimiento de caudal para que sus animales, bacterias y
plantas se mantengan sanos.
III. Conservar una buena calidad del agua. El agua es un elemento trascendental en la
acuaponía. Es el medio a través del cual se transportan todos los nutrientes
esenciales a las plantas y donde viven los peces. En este elemento se deben tener
en cuenta los siguientes parámetros:
a. Oxígeno disuelto (5 mg/litro)
b. pH (6-7)
c. Temperatura (18-30° C)
d. Nitrógeno total
e. Alcalinidad del agua.
IV. Cantidad de agua en los tanques, es importante tener controlada la cantidad de
agua para controlar variable como mantenimiento, densidad poblacional de los
peces y posibles desbordamientos.
V. Evitar la sobrealimentación y elimina los restos de alimentos no consumidos. Los
residuos y restos de comida son muy perjudiciales para los animales acuáticos, ya
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que pueden pudrirse en el interior del sistema. Los alimentos descompuestos
pueden causar enfermedades y consumir todo el oxígeno disuelto.
VI. Tipo de plantas. Elegir las plantas con períodos de crecimiento cortos (verduras).
Las hortalizas de hoja verde funcionan muy bien en acuaponía, como tomates,
pepinos y pimientos.
VII. Equilibrio entre plantas y animales. Es importante contar con una fuente segura
de plantas y peces jóvenes, para mantener una fuente estable de agua limpia y
fertilizante.
Energía solar
La energía solar es una forma renovable de energía, se obtiene de la transformación de la
radiación electromagnética que proviene del Sol. Dicha energía es posible recibirla y
almacenarla en células fotovoltaicas o distintos tipos de colectores térmicos, para
aprovecharla con fines energéticos. El aprovechamiento de la energía solar se puede
realizar de dos formas: por conversión térmica de alta temperatura (sistema fototérmico)
y por conversión fotovoltaica (sistema fotovoltaico).
El sol emite constantemente energía de la cual el 30% de la emitida a la tierra ingresa al
planeta y es absorbida por los océanos y continentes. Aproximadamente 1000 W/m2 de
energía ingresan al mundo por esta vía, esta radiación es recibida por dos tipos de
instrumentos:
Células fotovoltaicas. Se trata de paneles solares instalados en techos, azoteas o grandes
extensiones de terreno libre, compuestos por montones de células solares de silicio
capaces de convertir la radiación solar en energía eléctrica aprovechable.
Colectores térmicos. Recolectan la energía calórica de la radiación solar y permiten su
redistribución para fines prácticos, como calefacción, calentadores e incluso generación
eléctrica, pues dicho calor puede usarse para hervir agua y movilizar turbinas.
Ilustración 7. Generación de energía eléctrica con radiación solar
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Arbole solar
Uno de los grandes retos de la actualidad es la combina energía solar y eléctrica con una
estructura de diseño. Un Árbol Solar se usa para referirse a un tipo de estructura
tecnológica que incorpora un poste o soporte generador de energía solar y electricidad.
Dicho soporte emula la forma del tronco de un árbol, mientras que los paneles solares
adheridos a él se asemejan a las hojas de éste.
Ilustración 8. CAD, árbol solar
b. Marco metodológico
Investigación
Para el proceso de investigación primero se estableció el contexto de la problemática.
Como se mostró en la ilustración 1, la mayoría de la población actual vive en espacios
urbanos, estas poblaciones usualmente se preocupan por la vulnerabilidad y la
sostenibilidad del desarrollo de las ciudades, así como por el nivel de segregación y
equidad urbana, mas no por la seguridad alimentaria.
Las temáticas que abarcan la mayoría de la atención son la vivienda, transporte,
infraestructura y espacios sociales, sin considerar adecuadamente los sistemas de
mercadeo de alimentos. Sin embargo, no se tiene en cuenta que una ciudad será menos
vulnerable cuando sus habitantes pueden alimentarse de una manera adecuada.
Es notable que en los planes de desarrollo de las ciudades no se considera que el desarrollo
urbano será más sostenible cuando las inversiones públicas en infraestructura de mercado
brinden una contribución real a la economía local y al desarrollo social. Esto ayudaría a
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resolver problemas que se tratan como independientes a la seguridad alimentaria como
pobreza, delincuencia y segregación social.
Algunas de las poblaciones de consumidores urbanos más vulnerables a la inseguridad
alimentaria son:
• Los desempleados
• Residentes de áreas recientemente urbanizadas o periféricas, ya que tienen
dificultades en integrarse rápidamente a los nuevos ambientes urbanos,
usualmente estas áreas corresponden a las poblaciones más vulnerables.
• Madres solteras.
• Dependientes de la economía informal.
• Discapacitados y ancianos.
Dicha población debido a problemas en la distribución de alimentos o por la condición
económica, consumen alimentos que no cumplen mínimos requisitos de salubridad e
higiene. Adicionalmente existe un gran margen de esta población a la que no es posible
adquirir ningún tipo de alimento.
Frente a esto se han desarrollo proyectos de mercados lejos de los centros urbanos u en
espacios suburbanos, pero dichos proyectos generalmente resultan en una subutilización
debido a:
• Diseño es deficiente.
• Tarifas de uso de los nuevos mercados son demasiado altas.
• Minoristas no pueden asumir costos adicionales de transporte.
Frente a esto se podría concluir que una posible solución sería establecer métodos de
producción de alimentos aptos para el consumo de las urbes y que se adopten a las
necesidades de los consumidores y el espacio donde se implementaran.
En los espacios urbanos uno de los principales retos para producir alimentos es el espacio
reducido, en los cultivos tradicionales el proceso de siembra requiere grandes extensiones
de tierra, dicho requerimiento hace que implementar siembra tradicional en la ciudad no
sea viable, frente a esto, la solución son los modelos de cultivo que no requieren el uso
de tierra. Tanto la hidroponía como la acuaponía son soluciones óptimas para el problema
de espacio que presentan las urbes. Este tipo de cultivo puede implementarse en edificios
“vertical farming”, hogares, o demás espacios comunes en las ciudades.
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Ilustración 9. Ejemplo vertical farming.
Propuesta
Como se mencionó anteriormente una de las soluciones para el problema es la
implementación de metodologías de cultivo alternas a la tradicional. Para este tipo de
problema se tendrán en cuanta los tipos de cultivo que se pueden aplicar en espacios
reducidos, no tengan como requisito el uso de grandes terrenos y que garanticen la
producción optima de alimentos.
Los modelos de producción que se tendrán en cuenta son los cultivos hidropónicos y
acuapónicos, adicional de la implementación de energía solar como fuente energética del
sistema de producción.
Requerimientos
Este proyecto tiene definidos unos requisitos dados, entre estos encontramos:
Espacio:
Este proyecto se planteará para un espacio de la Universidad de los Andes. Siendo así el
primer requerimiento será el espacio, este corresponderá al edificio AU terraza del
segundo piso el cual se muestra a continuación.
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Ilustración 10. Terraza segundo piso edificio AU, Universidad de los Andes
Ilustración 11. Dimensiones estructuras en concreto
Tipo de cultivo.
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Dadas las condiciones del espacio el tipo de cultivo es fundamental, como se puede ver
el espacio es reducido por lo cual se debe pensar en cultivos que se puedan implementar
en este tipo de lugares
Estructura interactiva.
La estructura debe ser participativa, además de cumplir con los requerimientos de
producción debe permitir la interacción entre la comunidad Uniandes y el proceso de
obtención de alimentos. Con el fin de poder hacer del proceso de cultivo una actividad
académica de la cual todos pueden ser parte
3. Diseño Iterativo
El diseño iterativo se emplea con el fin de conceptualizar, diseñar, probar, analizar y refinar
una propuesta. Este modelo de diseño ayuda a aglomerar una mayor cantidad de
conceptos además de que permite tener una mejor retroalimentación de cada diseño dando
como resultado un diseño íntegro.
Como primer diseño se planteó un sistema de cultivo de cuatro niveles ascendentes. En
el primer nivel se encuentra un tanque acuapónico, correspondiente al tanque azul en la
ilustración 13. Según la ilustración 11, el tanque que mejor se acopla al espacio es el de
500 litros, cuyas dimensiones se encuentran en la ilustración 12, seguido a este tanque se
encuentran otros tres tanques que cumplirían una función hidropónica, dichos tanques
tienen una reducción de 20 cm en el diámetro a medida que haciende, con respecto a los
111 cm que posee el tanque de 500 litros y una altura de 10 cm que es la mínima requerida
por un cultivo hidropónico en todos los tanques hidropónicos.
Ilustración 12. Catálogo de dimensiones para tanques de agua
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Ilustración 13. Primer diseño, sistema de riego y cultivo.
En este modelo se obtiene agua con nutrientes del tanque acuapónico, la cual es
transportada al tanque hidropónico más alto, una vez allá por efecto de rebose el agua
descenderá al siguiente tanque hidropónico, el cual es 20 cm más grande, y así
sucesivamente se transportará agua rica en nutrientes a todos los tanques hidropónicos.
Los cuales a su vez filtraran el agua que finalmente retornara al tanque hidropónico sin
exceso de partículas ya que estas fueron absorbidas por las plantas en los tanques
hidropónicos. Este modelo utilizará una bomba QR50D (Ilustración 14) para subir el agua
desde el tanque acuapónico al primer tanque hidropónico. La energía que será
proporcionada a la bomba estará a cargo de 9 paneles solares de 100 W, cada uno, los
cuales se proponen en una distribución que asemeje un árbol solar como se muestra en la
ilustración 15.
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Ilustración 14. Bomba sumergible QR50D
Ilustración 15. Primer diseño, Árbol solar
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A pesar de que el primer diseño del sistema de riego acuapónico – hidropónico fue
aprobado por Gerencia del Campus (entidad a cargo del espacio) el modelo de
recolección de energía solar no fue aprobado, esto en vista de que la estructura debe
ser sujeta en su totalidad en las estructuras cuadradas de concreto (Ilustración 11).
Una vez enunciado el cambio se sugieren las propuestas que se muestran en las
ilustraciones 16 y 17, las cuales presentan un mejor sistema de sujeción a las
estructuras de concreto solicitadas. Adicionalmente las estructuras interiorizan áreas
aptas para la ubicación de la electrónica correspondiente a la recolección de energía
solar, como baterías, fuentes, controladores, inversores y cableado.
A
Ilustración 16. Segundo diseño, árbol solar
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Ilustración 17. Tercer diseño, árbol solar
El sistema de riego para este punto ha modificado, presenta el mismo sistema de
distribución de agua, pero ha cambiado el diseño. Como se ve en la ilustración 18, el
sistema de riego tiene una cobertura similar a las usadas en los invernaderos con el
fin de prevenir daños en las plantas causados por sol directo. Adicionalmente la
estructura presenta un mejor diseño, el cual facilita el ensamble con los bloques de
concreto.
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Ilustración 18. Segundo modelo, sistema de riego y cultivo
Una vez establecidas las propuestas de diseños de riego y árbol solar por separado, se
sigue con un modelo en el cual se integren los todos los en uno solo, el cuales se pueda
distribuir en el espacio asignado y cumpla los requerimientos establecidos. En las
ilustraciones 19 y 20 se propone una distribución de paneles que no exceda el espacio
máximo posible. En ambas propuestas los paneles están alineados horizontalmente con
respecto a la altura máxima que pueda lograr la estructura de riego. Cabe resaltar que en
las propuestas de diseño del sistema de riego se mantiene igual al mostrado en la
ilustración 18, adicionalmente la medida comercial de los paneles de 100W es de 78 x 68
cm aproximadamente los cuales fueron esbozados a la escala correspondiente.
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Ilustración 19. Primer diseño, distribución de paneles
Ilustración 20. Segundo diseño, distribución de paneles
Finalmente se establece una distribución de paneles como la mostrada en la ilustración
21, la cual presenta una distribución creciente, siendo la altura base la máxima alcanzada
por el sistema de riego, esto con fin de evitar interferencia entre el árbol solar y el sistema
de riego.
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Ilustración 21. Tercer diseño, distribución de paneles
4. Diseño
Una vez terminadas las propuestas de diseño, el siguiente paso es modelar el diseño que
se manufacturará. Para esto se tienen en cuanta las cargas que soportaran las estructuras
y se asignara un material comercial apto para soportarlas, además de garantizar los
factores de seguridad que requiere Gerencia del Campus para establecer una estructura.
Cada estructura soportara las siguientes cargas.
• El árbol solar, tendrá 9 paneles de 100 W cada uno, el peso aproximado de un solo
panel es de 10 Kg, lo cual da un acumulado de carga de 90 kg que corresponde a
883 N
• Las estructuras de riego tendrán 3 tanques hidropónicos de 0,054 𝑚3los cuales
corresponden a un peso de 206 N cada tanque, dando un total de 618 N por
estructura
• Gerencia de campus tiene como requisitos que la estructura tenga un factor de
seguridad de 2, además de poder soportar la carga generada por una persona
promedio al apoyarse en la estructura, esta corresponde a una carga aproximada
de 650 N
Una vez establecidas las cargas se propone realizar un diseño con tubo de acero
estructural cuadrado de una pulgada, ya que este tipo de material es usualmente en
construcción con cargas similares a las requeridas.
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La estructura final se realizó teniendo en cuenta los diseños de las ilustraciones 18 y 21,
el modelado se realizó en Autodesk Inventor. En la figura 22 se encuentra el modelado
de la estructura de riego, esta cuenta con tres tanques hidropónicos de 54 litros, un tanque
acuapónico de 500 litros y una superficie invernadero en la parte superior. La ilustración
23 señala el árbol solar y la distribución de paneles definida. Finalmente, en la imagen 24
se muestra el diseño del sistema de cultivo completo.
Ilustración 22. Modelado del sistema de riego y árbol solar
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Ilustración 23. Modelado del sistema de riego y árbol solar. Vista frontal
Ilustración 24. Modelado del sistema de cultivo
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Ilustración 25. modelado del sistema de cultivo, vista frontal
LOS PLANOS DE LAS ESTRUCTURAS SE ENCUENTRAN EN LOS ANEXOS
4.1 Análisis estructural
4.1.1. Características del material
La estructura se diseñó con tubo colmena en acero negro cuadrado de una pulgada, las
propiedades mecánicas del material se encuentran en la ilustración 25, al igual que su
composición química. los perfiles usados fueron los correspondientes a 1x1 pulgadas con
1,5 mm y 2 mm de espesor. En la parte que corresponde al soporte de hidropónicos,
soporte superficie invernadero y distribución interna de árbol solar, se utilizó tubo de 1,5
mm de espesor. Siendo el tubo de 2 mm de espesor el utilizado en el faltante de la
estructura, el cual corresponde a los pilares de soporte más grandes y de ensamble con la
estructura en concreto.
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Ilustración 26. Información del material
Ilustración 27. Catálogo general, perfil cuadrado colmena
4.1.2 Métodos de sujeción y ensamblaje.
Soporte para paneles
Ilustración 28. Marco de soporte paneles
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Ilustración 29. Estructuras de reposo
Para soportar los paneles se diseñó un sistema de reposo de fácil uso, la estructura está
compuesta por un marco de 90cm x 90 cm en tubo de acero de media pulgada de acero
calibre 14, como se muestra en la ilustración 28. Dentro de cada marco se soldaron unos
arreglos en acero de 2 mm de espesor, desde las esquinas hasta la intersección de los
paneles, dichos arreglos son llamados estructuras de reposo como se señala en la
ilustración 29. La implementación de las estructuras de reposo facilita el montaje y
desmontaje de los paneles solares ya que solo se deben estacionar sobre dichos arreglos,
sin necesidad de algún tipo de sujeción adicional como tornillos, tuercas, etc.
Ilustración 30. Vista frontal, panel solar
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Ilustración 31. Vista frontal estructura y panel solar
Como se muestra en las figuras 30 y 31, el sistema implementado para el soporte de paneles
permite que el panel descanse en la mitad geométrica del marco, dando una ilusión de teseracto
(ilustración 32) lo cual es un aspecto innovador en el diseño de las estructuras.
Ilustración 32. Teseracto
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Ilustración 33. vista superior, Marco de soporte paneles
Además del diseño, una de las principales ventajas de la estructura es la ubicación de
panel solar, al quedar “suspendido” en el marco se evita la generación de sombras entre
planes, ayudando a la optimación de producción de energía.
Ilustración 34. Vista inferior, Marco de soporte paneles
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Como conclusión el sistema de soporte de paneles permite el rápido montaje de paneles
además de facilitar la manipulación de estos para los procedimientos electrónicos que
estos requieren, agiliza el proceso de manteniendo de los paneles, evita la generación de
sombra entre paneles y presenta un diseño innovador.
Estructura de riego
La estructura de riego está diseñada para que todo el sistema repose sobre las estructuras
de concreto asignadas (figura 11), como se muestra en las figura 35 la estructura de riego
se apoya desde la caja de reposo, dicha sección es la señalada en color amarillo y su
función además de soportar la estructura y los tanques acuapónicos es generar estabilidad
en el sistema completo pues al envolver las estructuras de concreto (figura 11) se impiden
5 grados libertad, permitiendo únicamente la movilidad necesaria para acoplar y
desacoplar la estructura como se muestra en la figura 36.
Ilustración 35. Sistema de riego, caja de reposo
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Ilustración 36. Sistema de riego, montaje
Árbol solar
Para anclar la torre solar al concreto se utilizarán Chazos Concreto Expansivo 1/2X3
con el propósito de garantizar la estabilidad y seguridad requerida.
Ilustración 37. Torre solar
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Como se muestra en la figura 38, los Chazos unirán el concreto y la torre solar en las secciones
bordeadas con amarillo.
Ilustración 38. Perfiles de unión, torre solar
Soldadura
Para la unión de tubos se usó soldadura ANSI de 10 mm en los puntos me mayor
esfuerzo (los cuales se muestran en el análisis de elementos finitos y se utilizó soldadura
de entre 5 y 4 mm en las demás zonas.
Ilustración 39. Soldadura, cordón de 4 mm
pág. 34
Tabla 1 Clasificación del hierro y materiales de acero de acuerdo al estándar JIS, suplementado con
ASTM/AISI/SAE
4.1.3 Análisis de elementos finitos
Ya con las dimensiones del material, cargas, factor de seguridad y métodos de sujeción
definidos se establecen los parámetros para realizar el análisis de elementos finitos, en
estos se estudiará el comportamiento de la estructura frente al desplazamiento generado
por las cargas (ilustraciones 40 y 43), además de la tensión de Von Mises (ilustraciones
39 y 42) y el coeficiente de seguridad de la estructura (ilustraciones 41 y 44).
pág. 35
Ilustración 40. Simulación tensión de Von Mises (MPa), sistema de riego
Ilustración 41. Simulación de desplazamiento generado por cargas (mm), sistema de riego
pág. 36
Ilustración 42. Simulación de coeficiente de seguridad, sistema de riego
Ilustración 43. Simulación tensión de Von Mises (MPa), árbol solar
pág. 37
Ilustración 44. Simulación de desplazamiento generado por cargas (mm)
Ilustración 45. Simulación de coeficiente de seguridad, árbol solar
Como se puede ver en las simulaciones la estructura tiene un buen comportamiento frente
a las cargas que se someterá, las dos estructuras presentan un desplazamiento generado
por cargas muy bajos siendo 1,2 mm el máximo valor arrojado, adicionalmente el mínimo
factor de seguridad presente en las estructuras es de 3, lo cual es el requerido por Gerencia
del Campus. Es importante mencionar que este mínimo factor de seguridad se presenta
en la soldadura correspondiente al soporte invernadero, en vita de eso en el proceso de
manufactura se aplicara un cordón con mayor área con el fin de reforzar más la zona.
En conclusión, es diseño cumplen con todos los requerimientos pedidos de
dimensionamiento y factor de seguridad además de soportar las cargas a las que estará
sometido. Adicionalmente el diseño facilitará el montaje de la estructura en el lugar
pág. 38
designado y permitirá la implantación de nuevas tecnologías como cámaras y sensores ya
que la estructura tiene una óptima distribución de cultivo y optimización de espacio lo
cual facilita la interacción con los productos que se obtendrán en esta.
5. Costos
los costos de manufacturación de la estructura fueron asignados por la empresa Frencher
Servicios Industriales SAS. Las cotizaciones y planos de las estructuras se encuentran
en los anexos, adicionalmente se encuentran los costos referentes a los paneles,
6. Manufactura
El proceso de manufactura se llevó a cabo en el taller de Frencher Servicios Industriales
SAS. Para la soldadura se usaron electrodos para soldadura AWS 6013, el cual es el más
usado para aceros comunes. Tiene buen encendido, un arco suave con muy buen
desprendimiento de escoria y terminación. electrodo es de los más comunes y
recomendados para este tipo de usos
Ilustración 46. Proceso de manufactura, Árbol solar
pág. 39
Ilustración 47. Proceso de manufactura, Sistema de riego
Ilustración 48. Primera prueba, sistema de riego
pág. 40
7. Ensamblaje
Árbol solar
EL primer paso para iniciar el proceso de ensamblaje fue la instalación de los Chazos
Expansivo 1/2X3 en la estructura de concreto como se muestra en la figura 49. Para esto
se utilizó un taladro percutor con broca de tungsteno de media pulgada, además de una
llave de media pulgada para comprimir los chazos y lograr el anclaje chazo – concreto
Ilustración 49. Instalación de Chazos
Como se muestra en la ilustración 50, una vez anclados los chazos, se monta la torre del
árbol solar sobre estos en los lugares previamente asignados (Figura 38)
pág. 41
Ilustración 50. Montaje de la torre solar
Posterior al montaje de la torre solar se procede a atornillar los chazos con la base
de la torre terminado así el acoplamiento de la base del árbol solar como se
muestra en la ilustración 51
Ilustración 51. Acople Torre solar - Concreto
pág. 42
Ilustración 52. Unión Base paneles-Torre solar
Una vez instalada la torre solar se unen los soportes de los marcos por medio de
Tornillo Hexagonal 1/2X1-1/2 y Tuercas
Ilustración 53. Estructuras de reposo, paneles solares.
pág. 43
Ilustración 54. Montaje de paneles
Ya unidos los marcos con la torre del árbol solar se montan los paneles solares,
como se muestra en la ilustración 54, el montaje consiste simplemente en apoyar
los paneles sobre las estructuras de reposo ilustración (ilustración 53).
Ilustración 55. Montaje de paneles solares, vista superior
pág. 44
Ilustración 56. Montaje completo, árbol solar
Sistema de riego
Como se muestra en la imagen 58, el montaje del sistema de riego consiste en
simplemente en colocar el arreglo de acero en el concreto, generando un ajuste
entre ambas estructuras. Las peceras hidropónicas se montan de una manera muy
similar a la usada en los paneles, esta consiste en simplemente apoyar las peceras
sobre las pestañas de descanso implementadas en la estructura de riego, como se
muestra en la figura 57.
Ilustración 57. Peceras hidropónicas
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Ilustración 58. Sistemas de riego, montaje
Ilustración 59. Montaje completo sistema de cultivo, árbol solar y sistema de riego
pág. 46
8. Proyectos adicionales.
Estructura de cultivo vertical
Ilustración 60. Diseño CAD, sistema de cultivo vertical
El sistema de cultivo vertical consta principalmente de un arreglo hecho en tubo de acero
cuadrado de media pulgada con 1.5 mm de espesor. La estructura tiene el propósito de
soportar las bolsas de cultivo vertical comercial y además de brindar un soporte
distribuido a las maneras de riego, siendo esta la razón de su forma en cuadricula. Como
se ve en la ilustración 60, la sección señalada con color azul será la encargada de soportar
las bolsas de cultivo vertical, siendo esta la parte que más concentra fuerza en la
estructura, en la sección señalada con rojo se añadirán las mangueras de distribución de
agua (manguera comercial de agua para riego de ¾ de pulgada), siendo así está la sección
encargada de distribuir el agua de manera proporcional en las bolsas de cultivo.
Ilustración 61. Guías de soporte y distribución de agua
pág. 47
Adicionalmente la estructura cuenta con una cubierta curva de policarbonato, señalada de
color amarillo en la ilustración 61, la cual tiene como función transportar el agua lluvia a
los canales de recolección de agua, para después ser reutilizada en el riego y proteger a
las plantas del daño generado por contacto directo con el sol. Adicionalmente la estructura
cuenta con unos soportes adicionales, señalados con azul, con el fin de evitar
volcamientos generados por algún tipo de momento externo. La estructura fue soldada
con el mismo método usado en las estructuras previas
Ilustración 62. Soportes y cubierta curva
Ilustración 63. Montaje, sistema de cultivo vertical
pág. 48
Sistema de cultivo invernadero ensamblable
Este proyecto consiste en generar una estructura armable de fácil montaje y desmontaje
que emule una casa invernadero. Para esto se usó en tubo de acero cuadrado de media
pulgada con 1.5 mm de espesor, este sistema consiste principalmente en dos estructuras
de ensamblaje principal, una cara de acople y tubos de unión como se ve en la imagen
(señalados con color azul) como se muestra en la ilustración 64.
Ilustración 64. Estructuras de ensamblaje
Ilustración 65. Caras de ensamblaje
pág. 49
Como se muestra en la figura 65, las caras de ensamblaje están compuesta por almas de
unión, señaladas con color amarillo en la imagen, estos arreglos tienen como función
generar un ajuste entre los tubos de unión y las caras generando así la estructura
invernadero. Adicionalmente la estructura cuenta con cubiertas curvas de policarbonato
y canales de recolección de agua lluvia como se ve en la imagen 66
Ilustración 66. Montaje, Sistema de cultivo invernadero ensamblable
9. Conclusiones
• Todos los sistemas presentaron un fácil ensamblaje lo cual implica que los diseños
se hicieron de manera correcta, además señala un proceso de manufactura óptimo.
• Todas estructuras cumplieron con los estándares de calidad y seguridad
establecidos por la Universidad de los Andes
• Como se muestra en la figura 67, además de convertir un espacio con poco uso en
un punto de producción agrícola de vanguardia se genero un gran cambio visual
en el espacio, haciendo de este lugar una zona más cómoda para los estudiantes y
visitantes de la universidad
pág. 50
• Se demostró que es posible convertir cualquier tipo de espacio en un lugar de
producción de alimentos de alta calidad cumpliendo con todos los estándares de
seguridad alimentaria y solventando la alta necesidad de alimentos que demanda
la ciudad.
Ilustración 67. Antes y después de los precios
10. Referencias
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Anexos.
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pág. 55
Plano explosionado Árbol solar
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Plano explosionado Torre solar
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pág. 58
pág. 59
pág. 60
Planos, proyectos adicionales.
pág. 61
pág. 62