Dise

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Diseño De Una Tolva Para Almacenamiento de
Desechos Sólidos Para Ser Quemados En Hornos
Cementeros En El Ecuador
Tesis de Grado
Roberto E

• presentado por
• Roberto C. Elizalde Ruiz
• director de tesis
• Ing. Julián Peña Estrella
• Julio 07 , 2006

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Contaminación Ambiental
Roberto E

• Residuos Industriales
• Desechos Domésticos
• Lluvias Ácidas
• Contaminación de Ríos y Lagos
• Derrames de Petróleo
• Contaminación de Pozos Subterráneos
• Afecciones a la Piel
• Intoxicaciones
• Cáncer
• Desordenes Genéticos
• 400 millones de toneladas de basura anuales

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Tiempos de Biodegradación de Algunos Materiales
Comunes
10 añosEse es el tiempo que tarda la naturaleza en transformar una lata de refresco o de cerveza al estado de óxido de hierro. Por lo general, las latas tienen 210 micrones de espesor de aluminio recubierto de barniz y de estaño. A la intemperie, hace falta mucha lluvia y humedad para que el óxido la cubra totalmente. 5 añosUn trozo de chicle masticado se convierte en ese tiempo, por acción del oxígeno, en un material superduro que luego empieza a resquebrajarse hasta desaparecer. El chicle es una mezcla de gomas de resinas naturales, sintéticas, azúcar, aromatizantes y colorantes. Degradado, casi no deja rastros.
100 a 1000 añosLas botellas de plástico son las más rebeldes a la hora de transformarse. Al aire libre pierden su tonicidad, se fragmentan y se dispersan. Enterradas, duran más. La mayoría está hecha de tereftalato de polietileno (PET), un material duro de degradar los microorganismos no tienen mecanismos para atacarlos. 1000 añosLos vasos descartables de polipropileno contaminan menos que los de unicel. Pero también tardan en transformarse. El plástico queda reducido a moléculas sintéticas invisibles pero siempre presentes.
300 añosLa mayoría de las muñecas articuladas son de plástico, de los que más tardan en desintegrarse. Los rayos ultravioletas del sol sólo logran dividirlo en moléculas pequeñas. Ese proceso puede durar cientos de años, pero desaparecen de la faz de la Tierra. 200 añosLos tenis están compuestos por cuero, tela, goma y, en algunos casos, espumas sintéticas. Por eso tienen varias etapas de degradación. Lo primero que desaparece son las partes de tela o cuero. Su interior no puede ser degradado sólo se reduce.l a 2 años
1 a 2 añosBajo los rayos del sol, una colilla con filtro puede demorar hasta dos años en desaparecer. El filtro es de acetato de celulosa y las bacterias del suelo, acostumbradas a combatir materia orgánica, no pueden atacarla de entrada. Si cae en el agua, la desintegración es más rápida, pero más contaminante. 3 a 4 mesesLos boletos de cine, eventos y propaganda impresa, son los objetos que más se arrojan al piso. En ese destino final encuentran rápidamente el camino para desaparecer. La lluvia, el sol y el viento los afectan antes de ser presas de bacterias o de hongos del suelo. Si se encuentran en una lluvia fuerte se disuelve en celulosa y anilinas.
4000 añosLa botella de vidrio, en cualquiera de sus formatos, es un objeto muy resistente. Aunque es frágil porque con una simple caída puede quebrarse, para los componentes naturales del suelo es una tarea titánica transformarla. Formada por arena y carbonatos de sodio y de calcio, es reciclable en un 100. 30 añosLos envases tetra-brik el 75 de su estructura es de celulosa, el 20 de polietileno puro de baja densidad y el 5 por ciento de aluminio. Lo que tarda más en degradarse es el aluminio. La celulosa, si está al aire libre, desaparece en poco más de 1 año.
Más de 1000 añosSus componentes son altamente contaminantes y no se degradan. La mayoría tiene mercurio, pero otras también pueden tener zinc, cromo, arsénico, plomo o cadmio. Pueden empezar a separarse luego de 50 años al aire libre. Pero permanecen como agentes nocivos. 150 añosLas bolsas de plástico, por causa de su mínimo espesor, pueden transformarse más rápido que una botella de ese material. Las bolsitas, en realidad, están hechas de polietileno de baja densidad. La naturaleza suele entablar una "batalla" dura contra ese elemento. Y por lo general, pierde.
30 añosEs uno de los elementos más polémicos de los residuos domiciliarios. No obstante que la mayoría de los aerosoles, han dejado de incluir el CFC como parte de sus componentes (clorofluorocarbonos dañan la capa de ozono), su estructura metálica lo hace resistente a la degradación natural. El primer paso es la oxidación. 100 añosJunto con el plástico, el unicel no es un material biodegradable. Está presente en gran parte del embalaje de artículos electrónicos. Y así como se recibe, en la mayoría de los casos, se tira a la basura. Lo máximo que puede hacer la naturaleza con su estructura es dividirla en moléculas mínimas.
1 añoEl papel, compuesto básicamente por celulosa, no le da mayores problemas a la naturaleza para integrar sus componentes al suelo. Si queda tirado sobre tierra y le toca un invierno lluvioso, no tarda en degradarse. Lo ideal, de todos modos, es reciclarlo para evitar que se sigan talando árboles para su fabricación. Más de 100 añosLos corchos de plástico están hechos de polipropileno, el mismo material de los popotes y envases de yogur. Se puede reciclar más fácil que las botellas de agua mineral (que son de PVC, cloruro de polivinilo) y las que son de PET (tereftalato de polietileno).
3 a 4 semanas Los desechos orgánicos, tardan tan sólo 4 semanas en degradarse, claro esta, siempre y cuando no se mezclen con desechos inorgánicos o sustancias químicas. 100 a 1000 años Los disketes se encuentran formados por plástico y metal en su exterior. Su interior cuenta con una delgada película magnética. Todos estos materiales son difíciles de degradar de manera natural.
30 añosla aleación metálica que forma las tapitas de botellas puede parecer candidata a una degradación rápida porque tiene poco espesor. Pero no es así. Primero se oxidan y poco a poco su parte de acero va perdiendo resistencia hasta dispersarse. 100 añosDe acero y plástico, los encendedores desechable se toman su tiempo para convertirse en otra cosa. El acero, expuesto al aire libre, recién comienza a dañarse y enmohecerse levemente después de 10 años. El plástico, en ese tiempo, ni siquiera pierde el color.
Roberto E
Material Colillas de Cigarrillos Botellas de Plástico Vasos de Plástico Muñeca de plástico Zapatos de Caucho Botella de Vidrio Envase Tetra - Pack Baterías Bolsas de Plástico Latas de Aluminio
Ejemplo
Tiempo de degradación 1 a 2 años 100 a 1 000 años 1 000 años 300 años 200 años 4 000 años 30 años de 1 000 años 150 años 10 años
Características Filtro de acetato de celulosa. Las bacterias no pueden atacarla de entrada Enterradas duran más. Hecha de tereftalato de polietileno (PET) duro de degradar para microorganismos Hechos de polipropileno, se reducen a moléculas sintéticas, invisibles, pero nunca desaparecen Las de plásticos son las que más tardan en desintegrarse, pero después de cientos de años desaparecen De tela, goma, y espumas sintéticas. La tela y cuero desaparece primero, el interior nunca se degrada Arena y carbonatos de sodio, tarda mucho pero es reciclable en un 100 75 de su estructura es celulosa, 20 polietileno. El aluminio es el que más se tarda en degradar Altamente contaminante componentes. Zinc, cromo, arsénico, plomo y cadmio Del mismo material que las botellas, pero con menos espesor, hechas de polietileno de baja densidad, El tiempo que tarda la naturaleza en transformarlo en oxido. Barniz, estaño.
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Quema de Desechos Sólidos
Roberto E

• Transforma 1 Ton de Basura en 300Kg de ceniza
• Alto poder calorífico, 16.4 a 34 MJ/Kg. El del
  coque es de 33.7 MJ/Kg.
• Elimina necesidad de Relleno Sanitario
• Dioxinas y furanos

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Tratado de Basilea ( marzo 1 989 )
Roberto E

• Agencia Estadounidense de Protección Ambiental
• Límites de tolerancia de dioxinas y furanos para
  cada país
• Que clase de basura puede ser quemada
• Cada país tiene un límite de basura que puede ser
  quemada
• Un país que no llegue a su límite puede vender el
  servicio de quema de basura a uno que haya
  llegado a su tope

Antiguo Barco de Guerra Francés Transportando
Desechos Para Ser Quemados
6
Requisitos Para El Sistema de Quema de Desechos
Sólidos
Roberto E

• Un sistema de recepción, almacenamiento, Bombeo y
  quema de desechos viscosos
• Evitar atascamientos en todas las partes del
  proceso
• Los desechos deben ser tratados previamente para
  asegurar el paso a la bomba (mínimo 20 mm de
  espesor, excluir elementos metálicos, químicos
  prohibidos)
• Cumplir con los requerimientos de espacio,
• Flujo de quema y recepción equilibrado

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Propiedades de los Lodos
Roberto E

• Llantas, plásticos agrícolas, tierras
  contaminadas, fármacos, papeles, cartones,
  residuos de tanques de pinturas, de tintas, de
  tanqueros de petróleo, de tratadoras de agua.
• Algunos olores se pueden generar en su manipuleo.
• 17,000 toneladas al año, consumo a futuro de 7
  t/hora
• Almacenamiento desde 2 bañeras en tolva de
  recepción (70 m3)
• Punto de ignición mínimo de 38º C
• Alta cantidad de solidos en los desechos.

Punto de Ignición Mínimo 38º C
Viscosidad 400 2000 cps
Densidad 400 2500 Kg. /m3
Nivel PH 4 11
Llantas 14.4 Plásticos 10.5 Lodos
Ind. 17.3 Tierras Cont. 56.3 Fármacos
1.5
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Limitaciones Técnicas
Roberto E

• Fácil acceso para las bañeras
• Volumen necesario (3 bañeras)
• Cantidad de roca a excavar
• Forma de la Tolva (bastidor)
• Tipo de Bomba a usar
• Equipo de bombeo auxiliar
• Adecuaciones de la tubería
• Caudal promedio y máximo (6 y 10 m3/hr.)
• Longitud 120 m
• Altura 50 m
• de Codos 20 (aprox.)
• de Válvulas 3

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Primera Propuesta
Roberto E

• Su construcción no es muy costosa
• Poca capacidad de almacenamiento por su forma
• 50 m3
• No se puede usar bastidor
• Alto riesgo de atascamiento
• Costo de 25 000 (materiales y soldadura)

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Propuesta Alemana
Roberto E

• Diseño Estándar ya probado
• Capacidad de 105 m3
• Garantiza correcto funcionamiento del equipo de
  bombeo
• Elementos Ex-Proof
• Alto precio 166 505
• Planos cuestan 19 520

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Tercera Propuesta
Roberto E

• Se visualizan todas las posibles fallas
• Fallas por sismo, carga viva, concentradores de
  tensión, presiones.
• Acople con el sistema de bombeo
• Adecuarlo para mantenimiento de equipos

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Matriz de Decisión
Roberto E
Propuesta 1 Propuesta 2 Propuesta 3
Precio 3,99049881 0,764845606 2,24465558
Capacidad 0,23809524 0,714285714 0,71428571
Funcionalidad 0,35111989 2,312252964 1,66996047
Ponderación 0,35228569 0,291644945 0,35606937
M - EXTRAS\Matriz de Decisiones.xls
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Principios Teóricos
Roberto E

• AISC Cálculo de Cargas Combinadas por el método
  LRFD
• Soporte de Tirantes Para Tanques Rectangulares
  (Megyery)
• AWWA Tanques para Agua de Acero Soldados
• ASME B31.3 Cañería Para Plantas Químicas y
  Refinerías de Petróleo
• API 650 Tanques para Derivados de Petróleos de
  Acero Soldadas
• Normas Internas - Criterios De Diseño Para Equipo
  Mecánico (Ex-Proof)
• Normas Internas - Criterios De Diseño Para
  Trabajos Civiles y de Estructuras

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Diseño de Forma
Roberto E

• Dimensiones óptimas 7 500 x 3 500 x 4 000
  interior
• Capacidad de Tolva 105 m3
• Altura de Columnas 2 000 mm
• Altura de Vigas de Soporte de Piso 500 mm
• Profundidad de roca a excavar 3 m

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Cálculo de Cargas
Roberto E

• CM 262 500 25 000 287 500 Kg.
• CV 4 000 Kg.
• Fuerza Sísmica

Factor de Amplificación de sitio Tipo de Suelo
S
A B C D
1.0 1.2 1.5 2.0
Zona Coef Z
1 0.075
2A 0.15
2B 0.20
3 0.30
4 0.40
Tipo de Suministro Factor de Uso I
Suministro único, contra-incendio, o múltiple y contra-incendio. 1.25
Múltiple Suministro y no para contra-incendio 1.0
Estructura Factor de Reducción de Fuerza Rw
Tanque elevado, brazos cruzados 4.0
Tanque elevado, tipo pedestal 3.0
Tanque de piso plano, Anclado 4.5
Piso plano, desanclado 3.5
V0 47 692 Kg. V0 x L0 V1 x L1 V
127 180 Kg.
16
Diseño de Estructura de Soporte
Roberto E

• Asumir Tipos de Viga (Inercia y Área)

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Cargas Combinadas ( LRFD )
Roberto E
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Resultado de Selección de Vigas
Roberto E
Elem Result Mayor (Kg)   DISEÑO FACTOR SEGURIDAD
1 -31.225,4 2 UPN 120 1,51
2 31.225,4 2 UPN 120 -
3 14.941,3 2 UPN 120 -
4 14.941,3 2 UPN 120 -
5 8.496,0 2 UPN 120 -
6 -8.496,0 2 UPN 120 -
7 -38.507,4 2 UPN 140 -
8 -8.496,0 2 UPN 140 -
9 -31.960,9 2 UPN 140 -
10 -74.546,6 2 UPN 140 1,16
11 -56.591,8 2 UPN 140 -
12 46.902,1 2 UPN 100 -
13 -46.902,1 2 UPN 100 -
14 -71.993,4 2 UPN 140 1,04
15 -22.442,7 2 UPN 100 1,98
16 -22.442,7 2 UPN 100 1,98
17 -64.982,6 2 UPN 140 -
18 -12.776,7 2 UPN 100 -
19 12.776,7 2 UPN 100 -
19
Soporte de Piso Placas Planas
Roberto E

• Experimentos de Bach
• Sección Peligrosa AC
• Bordes Perfectamente Empotrados
• W w . b . a

• s Esfuerzo Unitario flexionante promedio que
  actúa sobre la placa a través de la diagonal AC
• a Luz larga
• b Luz corta
• w carga por unidad de área
• t Espesor de placa

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Teoría de Placas Planas
Roberto E

• Análisis Experimental realizado por Westergaard
• Momento Máximo por Unidad de Ancho Mbc y Mbe
• Experimento de Montgomery da el valor promedio de
  M 0.042 w b2 y
• S M C/ I

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Cálculo de Vigas
Roberto E

• Análisis de tensión pura a los que se encuentren
  en tensión, y aplastamiento y pandeo a los que
  estén en compresión

• Tensión
• Se procede a calcular el esfuerzo de trabajo
• s F/A (9)
• Una vez hallado el esfuerzo de trabajo se procede
  a encontrar el factor de seguridad
• ? Sy/s (10)
• Para valores superiores a la unidad el esfuerzo
  de trabajo no alcanza la fluencia por lo tanto el
  perfil no entrará a la zona plástica y cumple los
  requerimientos de diseño

• Compresión
• Se procede a calcular el esfuerzo de trabajo
• s F/A (9)
• Una vez hallado el esfuerzo de trabajo se procede
  a encontrar el factor de seguridad
• ? Sy/s (10)
• Se encuentra esfuerzo crítico de pandeo

1. Radio de giro k(I/A) ½
2. Relacion de esbeltez Sr L/k
3. Relacion de Esbeltez Crítica SrD p (2 E/ Sy)
   1/2

• Si Sr gtSrD
• sp p2 (E/ Sr2)
• Si Srlt SrD
• sp Sy (1/ E) (Sy. Sr/ 2 p)2

1. Se encuentra factor de Seguridad (1) ? sp/s

22
Diseño de Estructura de Piso
Roberto E
23
Vigas Primarias P 1-1, P 1-2
Roberto E
PM Peso Muerto 287 500 Kg.
Peso 240 Kg. 440,97 Kg
Inercia (cm4) 333558,42 65920,38
Factor de Seguridad 1,02 1,01
24
Vigas de Soporte de Piso
Roberto E
P-2 P-3 P-4 P-5
Peso Kg. 106.76 24.48 124.56 136.76
Inercia cm4 12786.1 1411.9 12534.7 14864.2
F S 1.03 1.02 1.10 1.02
25
Diseño del Piso de la Tolva
Roberto E
FS 1.5 S 0.9 x 2500 Kg. / cm2 b
112.5 cm. ? a 116.7 cm. w
1.09524 Kg. / cm2 I/c t2 /6
t1 14.8mm. t2 12.4 mm. tf 20 mm.
26
Diseño de Paredes
Roberto E
w 0.865 Kg./cm2 a 125.0 cm. b
118.0 cm. S 0.9 x 2500 Kg. / cm2 I/c
t2 / 6 F S 1.015 t1 11.15 mm. t2
10.75 mm. tf 12 mm.
27
Tensores Correas de Soporte
Roberto E
Hilera F S
1 6,75
2 5,32
3 4,03
4 2,76
5 1,37
28
Acople al Sistema de Bombeo
Roberto E

• Tornillo Sinfín

M - EXTRAS\AFR-Lodos-Rob.dwg
29
Bomba de Pistones
Roberto E
30
Recorrido de Tuberías
Roberto E
31
Lugar de Instalación del Sistema
Roberto E
32
Detalles de Escalera Y Galpón
Roberto E
33
Factibilidad Técnica
Roberto E

• El espacio escogido no estorba a ninguna
  operación existente y futura
• Corrida de tuberías no altera estructura original
• Acceso a sistema de bombeo
• Requerimientos eléctricos óptimos
• 220 V y 440 V
• Sistema Contra-Incendio accesible

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Presupuesto
Roberto E
ITEM DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN COSTO TOTALUSD
ITEM DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN COSTO TOTALUSD
A Obras Civiles Remoción de terreno, cimentación y construcción Obras Civiles Remoción de terreno, cimentación y construcción 207621,68
B Obras Mecánicas Construcción de los tanques de AFR lodos, estructuras de soporte, sistema hidráulico, sistema de bombeo y montaje de accesorios y equipos Obras Mecánicas Construcción de los tanques de AFR lodos, estructuras de soporte, sistema hidráulico, sistema de bombeo y montaje de accesorios y equipos 818822,65
C Obras Eléctricas e Instrumentación Acometida eléctrica, puesta a tierra, iluminación y control Obras Eléctricas e Instrumentación Acometida eléctrica, puesta a tierra, iluminación y control 81769,36
D Sistema Contra Incendios AFR Lodos Sistema Contra Incendios AFR Lodos 25514,57
E TOTAL COSTOS DIRECTOS ABCD 1133728,26
F COSTOS INDIRECTOS 20 E 226745,65
G VALOR TOTAL EF 1360473,91
I VALOR TOTAL DE LA PROPUESTA VALOR TOTAL DE LA PROPUESTA 1 523 730,78
M - EXTRAS\Presupuesto AFR Lodos.XLS
35
Programación de la Obra
Roberto E

• Fecha de inicio de construcción 25 de Agosto /06
• Documentos de trabajadores
• Compra de materiales
• Compra de equipos a importar
• Construcción de Vigas
• Instalaciones eléctricas para motores, paneles de
  control

M - EXTRAS\PROGRAMACIÓN- AFR-LODOS MSP.pdf
M - EXTRAS\PROGRAMACIÓN- AFR-LODOS.pdf
36
Proyecciones de Uso al 2013
Roberto E

• Capacidad de bombeo y almacenamiento acordes a
  estudio de mercado
• Bombeo óptimo a 6 m3/hr para 105 m3 ? Vaciado de
  tolva de 18 horas
• Cuantas bañeras pueden descargar al día?
• Operación óptima de 20 horas diarias
• Estudio de mercado En 5 años se tendrán 40 000
  ton. al año
• 111.1 m3 diarios promedios 18.5 horas en peor
  de los casos
• Máximo de 5 bañeras al día 150 m3

37
Conclusiones
Roberto E

1. El Sistema de Recepción, Almacenamiento y Quema
   de Desechos Sólidos resultó ser un diseño viable,
   al ser menos costoso que sus alternativas de
   importación de accesorios y tanques.
2. Los tiempos críticos se reducen sustancialmente
   puesto que al fabricar los elementos más
   esenciales dentro de la obra, los tiempos de
   importación que se encontraban en tres y cuatro
   meses se reducen a un mes.
3. El realizar el diseño de la tolva de recepción y
   almacenamiento de desechos sólidos, permitirá
   ahorrar a la empresa cementera 250 000 dólares
   por concepto de compra del diseño alemán. A este
   valor ahorrado, también deben sumarse los valores
   por concepto de construcción, los cuales también
   deben ser mucho mayores, debido a las exigencias
   de la compañía alemana en su diseño y métodos de
   construcción.

38
Conclusiones
Roberto E

1. La forma cuadrada del tanque permite una mayor
   área de recepción de desechos al momento de ser
   descargados del volquete.
2. La rapidez de vaciado, determinada por la bomba
   de 6 m3/hr, nos permite en 10 horas, almacenar el
   contenido de 2 volquetes más, procesando 5
   volquetes diarios en total
3. La teoría de placas planas aportó al diseño de
   una tolva factible de construir, ya que permitió
   encontrar una forma de disminuir el espesor del
   piso y paredes. Redujo el grosor de las paredes
   de 35 mm a 12 mm, y el del piso, de 40 mm a 20
   mm. Esta teoría para ser aplicada en las paredes
   de la tolva, necesitó de los tensores de pared
   para poder dividir la misma en secciones.
4. La matriz de decisiones reveló que aunque la
   tolva alemana era mucho más segura de usar, el
   efecto negativo que ésta inducía por su alto
   costo, la hacía la opción menos viable de las 3
   propuestas. La Propuesta 3 estuvo por encima de
   la 1ra Propuesta por un 0,37 del puntaje, y por
   encima de la 2da Propuesta por un 6,44 del
   puntaje

39
Recomendaciones
Roberto E

1. El uso del acero ASTM A588 para las paredes, piso
   y componentes interiores, minimiza los riesgos de
   desgaste por corrosión. Las propiedades de este
   acero incluyen una alta resistencia a la misma,
   la cual es vital para la tolva, debido a que no
   se puede pintar ni revestir el interior de
   ninguna manera, debido a la alta abrasión que
   existirá en el interior.
2. En el cálculo de espesores de pared para tanques
   de agua, aún con factores de seguridad
   cercanamente superiores a 1, se recomienda usar
   tensores de pared, debido al desgaste, oxidación
   y aumento de rasgaduras en la pintura y otros
   defectos visibles en el tiempo, los cuales crean
   concentradores de tensión. Con los tensadores de
   pared, no solo se disminuye el espesor de la
   pared, sino que se eleva el factor de seguridad
   en una cantidad que prevenga todo este tipo de
   efectos.

40
Recomendaciones
Roberto E

1. Al aplicar la teoría de placas planas en el
   diseño de alguna pared o piso, es recomendable
   tratar de dividir las secciones lo más cuadradas
   posibles, estos es, que su ancho sea lo más
   cercano a su largo, ya que mientras menos
   parecidas sean estas dos medidas, la fórmula
   usada deja de ser confiable, hasta hacer
   necesaria otra fórmula mucho más compleja, y
   difícil de usar y predecir.
2. Antes de considerar la construcción o diseño de
   una estructura parecida, se deben siempre
   estudiar las normativas medioambientales que
   rigen en el país, pues los niveles de furanos y
   otros químicos producto de la incineración, deben
   ser estudiados a fondo, de modo que no se excedan
   al estar los hornos quemando los desechos
   sólidos.

41
GRACIAS!!
Roberto E
Roberto Elizalde Ruiz