Antonio Jesús Fernández Saavedra

Los cables y sus

aplicaciones

Contenido Objetivos ....................................................................................................................................... 1

- Carga de rotura (Resistencia) .................................................................................................. 1

- Resistencia a las Flexiones y Vibraciones (FATIGA) ................................................................. 2

- Resistencia a la Abrasión ......................................................................................................... 2

- Resistencia al Aplastamiento .................................................................................................. 2

- Resistencia de Reserva ............................................................................................................ 2

- Exposición a la corrosión ......................................................................................................... 3

Introducción .................................................................................................................................. 3

Tipos de cables .............................................................................................................................. 4

Aplicaciones Mecánicas. Selección. .............................................................................................. 8

Aplicaciones Estructurales. Selección. .......................................................................................... 9

Calculo de Cable .......................................................................................................................... 11

Cables con cargas concentradas ............................................................................................. 12

Cables con cargas distribuidas ................................................................................................ 12

Cable parabólico. ..................................................................................................................... 13

Resumen ...................................................................................................................................... 14

Bibliografía .................................................................................................................................. 14

Objetivos Los objetivos principales por los que se utilizan los cables mecánicos son para la transmisión

mecánica de movimiento o para transmisión de cargas entre varios elementos.

Una transmisión mecánica es una forma de intercambiar energía mecánica distinta a las

transmisiones neumáticas o hidráulicas, ya que para ejercer su función emplea el movimiento de

cuerpos sólidos, como lo son los engranajes y las correas de transmisión.

Los cables mecánicos es el cable utilizado para transmisión mecánica de movimiento o de

cargas por lo que para poder seleccionar el mejor cable para un determinado uso se deben tener

en cuenta los siguientes factores:

- Carga de rotura (Resistencia) El primer paso consiste en determinar la máxima carga que el cable deberá soportar, teniendo en

cuenta no sólo la carga estática, sino también las cargas causadas por arranques y paradas

repentinas, cargas de impacto, altas velocidades, fricción en poleas, etc. Por razones de

seguridad se recomienda normalmente multiplicar, la carga de trabajo por un factor, indicado en

la tabla de factor de seguridad.

- Resistencia a las Flexiones y Vibraciones (FATIGA) Si un trozo de alambre se dobla varias veces, eventualmente se romperá; esto es debido al

fenómeno llamado "Fatiga de Flexión". Este mismo fenómeno tiene lugar siempre que un cable

de acero se dobla alrededor de poleas, tambores o rodillos. A menor radio de curvatura mayor es

la acción de la fatiga. Los aumentos de la velocidad de operación y las flexiones en sentidos

contrarios también aumentan este efecto. El mismo fenómeno es producido por vibraciones en

cualquier parte del cable. La fatiga se reduce si las poleas o tambores tienen al menos los

diámetros mínimos aceptables para cada tipo de cable.

- Resistencia a la Abrasión La abrasión es quizás el enemigo más común y destructivo del cable de acero. Se produce

siempre que el cable roza o es arrastrado contra cualquier material. Este roce debilita el cable al

producir desgaste en los alambres exteriores. Como en el caso de la fatiga, el mejor remedio

para el desgaste excesivo es utilizar la construcción más apropiada. Como regla general, a

menor número de alambres y mayor diámetro de ellos, mayor es la resistencia al desgaste

abrasivo. No siempre es necesario cambiar el tipo de cable utilizado pues muchos casos de

desgaste anormal son producidos por defectos en el equipo. Por ejemplo, poleas mal alineadas o

desgastadas, o enrollado incorrecto y otras condiciones irregulares que describiremos al tratar

sobre el uso del cable.

- Resistencia al Aplastamiento El cable puede ser Aplastado por fuerzas exteriores en algunas ocasiones, pero lo más común es

el Aplastamiento debido a la operación con cargas excesivas y también al uso de tambores lisos

o con ranuras que no den el apoyo suficiente al cable. También, el Aplastamiento es frecuente

en los casos de enrollado en varias capas, en los puntos en que el cable se apoya sobre sí mismo.

Si la carga no puede ser disminuida o los tambores no pueden ser sustituidos por piezas más

apropiadas para estas condiciones, debe recurrirse a cambiar el cable por uno de construcción

más adecuada para resistir los efectos del aplastamiento. Si se está usando un cable con alma de

fibra debe ser sustituido por uno con alma de acero, ya que ésta da mayor soporte a los torones e

impide su deformación. Los cables de torcido REGULAR, son también más resistentes al

aplastamiento que los de torcido LANG.

- Resistencia de Reserva La Resistencia de Reserva de un cable equivale a la resistencia combinada de todos sus

alambres, excepto aquellos de las capas exteriores de los torones. A mayor número de alambres

mayor es la Resistencia de Reserva, ya que al disminuir el diámetro de los alambres exteriores,

mayor sección metálica estará concentrada en las capas internas del torón. La Resistencia de

Reserva tiene mayor importancia en los casos en que la rotura de un cable puede ocasionar

accidentes de importancia. En estos casos es recomendable la inspección frecuente por técnicos

competentes y una selección del cable que se base fundamentalmente en este factor.

- Exposición a la corrosión Los cables generalmente están instalados al aire libre: por lo tanto, obra sobre la acción

corrosiva de la atmósfera. Un engrasado periódico evita, en parte, la oxidación; pero hay casos

en que la corrosión es muy activa, y entonces se debe recurrir, para proteger los cables, a

recubrimientos protectores, constituidos generalmente de zinc. La corrosión disminuye la

sección metálica de los cables y al extenderse aquélla lesiona los alambres, con lo cual se reduce

la resistencia, capacidad contra la abrasión, elasticidad y flexibilidad de los cables. El

galvanizado de los alambres proporciona a éstos una mayor resistencia a la corrosión, pero

aminora las características mecánicas del material, haciéndole perder un 10% de su resistencia y

un 15% de su flexibilidad. En instalaciones fijas o en servicios de funcionamiento poco

frecuente los cables galvanizados resultan mejores que los cables sin galvanizar, pero si el

trabajo del cable es continuo la acción abrasiva destruye la capa protectora de zinc y se pierde la

ventaja de tal protección. En general, la mejor solución del problema es proteger los cables

mediante un engrasado cuidadoso, realizado periódicamente, porque recurrir a los aceros

inoxidables o a los bronces son soluciones que no satisfacen: la primera por su costo y la

segunda por la poca resistencia del material. Por consiguiente, para contrarrestar la corrosión de

los cables se deben emplear estructuras con alambres gruesos, cuyos diámetros serán limitados

por la flexibilidad que imponga el cable, y se realizará un engrasado cuidadoso y regular. Si la

corrosión fuera muy activa, entonces se debe recurrir al galvanizado de los alambres del cable.

Introducción Se desconoce la fecha en que por primera vez el hombre utilizó un cable, pero del hecho de

haberse encontrado un ejemplar de cable metálico en las ruinas de Pompeya se desprende que el

arte de trenzar alambre para formar cordones y arrollar estos formando cables, era ya conocido

hace más de 1.800 años. Actualmente encontramos cables metálicos de acero en las grúas,

teleféricos, ascensores, plataformas petrolíferas…

El cable mecánico es aquel cable empleado para la transmisión mecánica de movimiento, o de

cargas entre otros elementos mecánicos, como palancas, ruedas, y poleas etc.

Los cables mecánicos básicamente realizan su trabajo en tracción o en rotación. Normalmente

suele usarse cable de acero, aunque el avance en los materiales ha hecho que en algunos

ambientes se utilice materiales plásticos, o sintéticos, como el poliéster, o el Kevlar. También

tiene multiplex propiedades como su flexibilidad, versatilidad y su bajo coste le hace un

elemento muy importante a la hora de realizar construcciones y elementos mecánicos.

(Cables de aceros)

(Cables de kevlar)

Tipos de cables Los cables pueden ser clasificados de diferentes formas puesto que ahí gran multitud de cables y

cada uno con unas características particulares, en este trabajo clasificaremos los cables de las

formas más generalizadas.

Clasificación según su material de constitución:

Metálicos

Los materiales metálicos más usados para la fabricación de cables son el acero galvanizado y el

acero inoxidable. El cable metálico suele usarse en los casos en los que existen altas cargas de

tracción; su construcción puede ser en forma de cordón, formado por:

-Alma: Es el eje central del cable donde se enrollan los torones, esta parte puede ser de

diferentes materiales.

-Alambre: Es el componente básico del cable de acero, puede estar fabricados en diferente

calidades, según el uso al que se destine el cable final.

-Torón Está formado por un número de alambres de acuerdo a su construcción, que son

enrollados helicoidalmente alrededor de un centro, en una o varias capas.

-Cable: Es el producto final que está formado por varios torones.

El Cable de Acero es una máquina simple, que está compuesto de un conjunto de elementos que

transmiten fuerzas, movimientos y energía entre dos puntos, de una manera predeterminada para

lograr un fin deseado. El conocimiento pleno del inherente potencial y uso de un Cable de

Acero, es esencial para elegir el cable más adecuado para una faena o equipo, tomando en

cuenta la gran cantidad de tipos de cables disponibles.

Los cables de aceros pueden ser de 2 tipos diferentes principalmente:

Paso Regular: La posición de los alambres en los torones es opuesta a la dirección de estos en el

cable, ver figuras a continuación. Este tipo de configuración hace que el cable sea compacto,

bien balanceado y con excelente estabilidad.

Paso Lang: La posición de los alambres en los torones es igual a la dirección de sus torones en

el cable. Tiene excelente resistencia a la fatiga y al desgaste por abrasión.

Plásticos y fibras sintéticas

Los materiales plásticos y sintéticos más comúnmente usados en cables de tracción son:

poliéster, kevlar, polietileno de alto módulo y polipropileno de alta resistencia.

Estos materiales presentan la ventaja de su resistencia a la corrosión, y algunos de ellos gran

resistencia a la intemperie, y mucho menor peso que los metálicos. Se diferencian poco de las

cuerdas de material sintético; solo por su mayor densidad y rigidez.

Otro tipo de clasificación de los cables puede ser según su característica o propiedades:

Cables normales

Se forman con cordones cilíndricos arrollados helicoidalmente en torno a un núcleo o alma que

puede ser de fibra o metálica. Los cordones de estos cables son de alambres del mismo diámetro

y el número de alambres en cada capa aumenta de 6 en 6, en progresión aritmética. Al ser todos

los alambres del mismo diámetro son cables muy homogéneos. Las torsiones de las distintas

capas tienen todas el mismo sentido y están arrolladas con el mismo ángulo de cableado, de esta

manera los pasos de las distintas capas son diferentes y proporcionales a los diámetros medios

de cada capa.

Al tener las capas de alambres diferentes pasos, cuando soportan una presión los alambres se

cruzan y entallan entre sí, produciendo esfuerzos de flexión al doblar el cable. Su campo de

aplicación es muy extenso, su limitación en el uso viene dada por su poca flexibilidad.

Cables espirales o cordones

En este tipo de cables los alambres están colocados en una o más capas arrolladas en forma de

hélice alrededor de un núcleo. El núcleo generalmente lo forma un solo alambre.

En general los cables espirales resisten bien el desgaste por rozamiento al tener una superficie

aproximadamente cilíndrica y muy lisa. Al estar arrollado de forma alterna resiste bien la

torsión. Además tienen un elevado módulo de elasticidad.

Al ser poco flexibles se usan fundamentalmente como cables estáticos, en cables finos se

emplean para frenos y mandos de vehículos. Se usan también como cables carril de teleféricos,

cables portadores de puentes colgantes, cables guía en extracción minera, contrapeso en

ascensores y montacargas.

Cables antigiratorios

Cable empleado cuando se requieren características antigiratorias durante la operación de

izamiento, ejemplo, en grúas de un solo cable. Su característica antigiro se obtiene enrollando

un cable 6 x 7 en una dirección y luego enrollando 12 cordones en dirección opuesta, de tal

forma que cuando el cable está en tensión, se crean fuerzas rotacionales opuestas entre las capas

exteriores e interiores de los alambres. Debido a su diseño este cable tiene poca Resistencia de

Reserva, por lo que debe ser cuidadosamente seleccionado, por otra parte, durante su empleo se

requieren inspecciones regulares frecuentes, ya que la presencia de alambres rotos es crítica.

Cables planos

Los cables planos se denominan también trenzas de cable o cables de cinta, se componen de

varios cables o ramales de 4 cordones cada uno, dispuestos en paralelo uno junto al otro y

cosidos entre sí mediante alambres de costura. Normalmente los ramales se disponen en número

par y se eligen de manera que sus arrollamientos presenten alternativamente torsión a la derecha

y a la izquierda. Los cables planos pueden estar cosidos con costuras simples o con dobles

costuras.

Cables de igual pasó

Las distintas capas de alambres que forman sus cordones están cableadas bajo el mismo paso,

por ello los alambres de los cordones de las distintas capas no se cruzan entre sí y se apoyan a lo

largo de toda su longitud en las ranuras que se forman entre cada dos alambres contiguos de la

capa inferior. Su aspecto exterior es igual al de los cables normales y es preciso observar su

sección para poderlos diferenciar. Las composiciones más frecuentes son: Seale, Warrington,

Relleno y Cables semicerrados y cerrados

Son cables de un solo cordón, formado generalmente por varias capas de alambres redondos

recubiertos por una o más capas de alambre de forma. Cuando el perfil de los alambres de la

última capa tiene forma de X se colocan alternando con alambres redondos y el cable se llama

semicerrado. Cuando el perfil de los alambres tiene forma de Z, son todos iguales y encajan

unos con otros, llamándose entonces cable cerrado. Igual que en los cables espirales, las capas

de alambres de los cables cerrados se cablean alternativamente a derecha y a izquierda con el fin

de reducir su reacción a la torsión.

Cables Compactados

Los cables de Acero con torones son un nuevo tipo de cable de acero para determinadas

aplicaciones y de características diferentes a las tradicionales. Los torones son compactados

durante el proceso de torcido, obteniendo con ello una mayor área metálica y por lo tanto una

mayor resistencia a la rotura, para un mismo diámetro nominal; una mayor superficie de

contacto de los alambres exteriores con las poleas, tambores, etc.

Dando una mayor resistencia a la abrasión, por lo tanto, menor desgaste de las poleas, tambores,

etc. También ofrece una mayor resistencia al aplastamiento y disminuyendo de vibraciones

internas, su alma puede ser de acero, acero plastificado o fibra.

Cables semicerrados y cerrados

Son cables de un solo cordón, formado generalmente por varias capas de alambres redondos

recubiertos por una o más capas de alambre de forma. Cuando el perfil de los alambres de la

última capa tiene forma de X se colocan alternando con alambres redondos y el cable se llama

semicerrado. Cuando el perfil de los alambres tiene forma de Z, son todos iguales y encajan

unos con otros, llamándose entonces cable cerrado. Igual que en los cables espirales, las capas

de alambres de los cables cerrados se cablean alternativamente a derecha y a izquierda con el fin

de reducir su reacción a la torsión.

Aplicaciones Mecánicas. Selección. Se utilizan los cables para transmitir potencia entre dos o más elementos dentro de una

máquina. Los cables mecánicos básicamente realizan su trabajo en tracción o en rotación.

Se utilizan los cables como elementos mecánicos básicos en multitud de aplicaciones, una de las

más antiguas es para elevación de cargas mediante grúa, utilizando cabrestantes y poleas.

También se emplean cables mecánicos en la suspensión y accionamiento de teleféricos,

funiculares, y tranvías. Los cables de tracción ha sido el sistema más empleado tradicionalmente

desde los inicios de la aviación para accionar los mandos de vuelo, en los aviones.

El Cable Bowden es uno de los tipos de cable mecánico más usado en automoción, tanto en

motocicletas como en automóviles, aunque es muy conocido por su uso en los frenos de las

bicicletas.

Recientemente se ha empleado en los autogiros para pre-rotación del rotor antes de un despegue

vertical.

Aplicaciones mecánicas más destacadas de los cables son:

- Poleas: es una máquina simple que sirve para transmitir una fuerza. Se trata de una rueda,

generalmente maciza y acanalada en su borde, que, con el curso de una cuerda o cable que se

hace pasar por la garganta, se usa como elemento de transmisión para cambiar la dirección del

movimiento en máquinas y mecanismos.

- Grúas: es una máquina de elevación de movimiento discontinuo destinado a elevar y distribuir

cargas en el espacio suspendidas de un gancho. Por regla general son ingenios que cuentan con

poleas acanaladas, contrapesos, mecanismos simples, para crear ventaja mecánica y lograr

mover grandes cargas.

-Teleférico: es un sistema de transporte aéreo constituido por cabinas colgadas de una serie de

cables que se encargan de hacer avanzar a las unidades a través de las estaciones.

-Frenos: es un tipo de cable mecánico flexible usado para la transmisión mecánica del

movimiento por tracción, para ello dispone de un cable flexible interior, que trasmite el

movimiento, rodeado de una camisa protectora también flexible, que sirve de punto de apoyo

para trasmitir el esfuerzo al extremo final del cable.

Aplicaciones Estructurales. Selección.

Por su simplicidad, versatilidad, resistencia y economía, los cables se han convertido en un

elemento imprescindible en muchas obras de ingeniería. Pensemos en los puentes colgantes, no

solo los grandes sino también los pequeños construidos para comunicar veredas en zonas

rurales, las garruchas, los sistemas de transporte de productos agrícolas en los cultivos, los

sistemas de interconexión eléctrica, los cables para postensado en una obra de hormigón, los

tensores o contravientos para luminarias y postes, pagodas o techos, etc.

Por su flexibilidad, los cables solo aguantan fuerzas de tracción, se comportan de forma inversa

a los arcos, en los cuales, debido a su curvatura, los esfuerzos cortantes y de flexión se pueden

hacer nulos y los esfuerzos de compresión se convierten en el soporte de la estructura. En el

caso de un cable, la geometría que él adquiere al aplicar las cargas, es tal, que asegura el

cumplimiento de las leyes de equilibrio con el solo trabajo a tracción del elemento.

El tipo de geometría que adquiere un cable depende del tipo de cargas actuantes. Para cables

sometidos a cargas uniformes en la proyección horizontal, adquieren una forma parabólica

siguiendo la forma del diagrama de momentos de una viga simple; cables sometidos a cargas

puntuales adquieren una forma discontinua en cada punto de aplicación de las cargas y cables

sometidos a su propio peso (en este caso no es una carga uniforme) forman una curva llamada

catenaria. Un ejemplo de este último caso es el de las redes de energía. En el caso de que la

flecha del cable (distancia vertical desde los extremos hasta el punto más bajo) no sea muy

grande, esta catenaria se puede aproximar a una parábola.

Para el análisis se consideran totalmente flexibles e inextensibles de tal manera que en toda su

longitud los esfuerzos solo serán axiales de tracción y siempre tangenciales a la curva del cable.

Se emplean cables de tracción como elemento estructural en puentes, edificios y otras obras de

arquitectura.

-Puentes: es una construcción que permite salvar un accidente geográfico como un río, un

cañón, un valle, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua o cualquier otro obstáculo físico.

El diseño de cada puente varía dependiendo de su función y la naturaleza del terreno sobre el

que se construye.

Los puentes en suspensión, cuyo sistema estructural está formado por tableros, torres verticales

y unos cables fijados a las torres.

El tablero se suspende de los cables mediante una serie de tirantes verticales que trabajan a

tracción. La acción de los tirantes sobre el cable es una carga distribuida por lo que dicho cable

adquiere una forma parabólica entre las torres.

-Estructuras superficiales: Se caracterizan porque los cables trabajan conjuntamente formando

estructuras superficiales o incluso bidimensionales.

Las grandes deformaciones producidas por las cargas y los cambios de temperatura, pueden

provocar problemas de estanqueidad. Y pueden ser:

a) Estructuras de curvas simples formadas por una única familia de cables.

b) Estructuras de doble curvatura formadas por dos familias de cables que se cruzan con distinta

curvatura o incluso opuesta.

c) Estructuras de doble capa en las que dos familias de cables de distintas curvaturas se sitúan

en un mismo plano vertical y se conectan entre su. Con esta tipología se consigue amortiguar

satisfactoriamente las vibraciones producidas por el viento.

Calculo de Cable En primer lugar comenzaremos realizando un predimesionamiento de los cables donde los

principales esfuerzos a que se someten los cables son de tracción y de flexión al curvarse para

pasar por poleas y tambores.

La primera consideración al efectuar la selección un cable es determinar la carga estática. Esta

carga está compuesta (Carga útil (o carga muerta), Carga de manejo (originada por detecciones

o arranques repentinos en el movimiento de la carga), Cargas de choque, Fricción en poleas y

cojinetes).

En la práctica se calcula la máxima solicitación estática y se multiplica por el coeficiente de

seguridad, obteniéndose de esta forma el esfuerzo para el que seleccionaremos el cable.

La tensión existente en un cable se determina con la siguiente expresión que relación los efectos

de tracción y estrepada.

Posteriormente podemos obtener el dimensionado basado mediante las normas DIN y FEM.

Donde sus componentes son:

Qu =Carga máxima nominal del aparato.

Qes =Peso propio del aparejo o elemento de suspensión de la carga

I = relación del aparejo

η = rendimiento del aparejo

Fa = fuerza de aceleración

Para calcular el diámetro del cable se calcula con las siguientes ecuaciones dependiendo si

utilizamos el método FEM o DIN.

- FEM

- DIN

Cables con cargas concentradas Comenzamos considerando un cable que se encuentra sujeto a 2 puntos fijos y sometidos a N

cargas verticales suponiendo que el peso propio del cable es despreciable.

Supongamos que cada una de las cargas yace en una recta vertical decir, que se conoce la

distancia horizontal entre el soporte 1 y cada una de las cargas suponiendo que también son

conocidas las distancias horizontales y las verticales del soporte.

De esta forma podríamos decir que lo único que desconocemos seria la pendiente que tiene cada

tramo de cable por lo que tendremos 4 incógnitas y las 3 ecuaciones de equilibrio podríamos

resolver el problema.

Cables con cargas distribuidas En el caso de los cables con cargas distribuidas podemos decir que la acción de tracción

de la carga es tangente a la curva

Las fuerzas actuantes en este sólido libre son la tensión T0 en C, que es horizontal, la tensión T

en D, dirigida según la tangente del cable en D, y la resultante W de la carga distribuida que

soporta el tramo de cable CD. Dibujando el triángulo de fuerzas obtenemos las siguientes

relaciones:

Cable parabólico.

Si el cable soporta una carga uniformemente distribuida sobre

la horizontal y el peso de los cables es pequeño comparado con

el peso del tablero. Designamos por w el peso por unidad de

longitud y tomando unos ejes coordenados con el origen en el

punto más bajo C del cable, resulta que la carga total W que

soporta la porción de cable comprendida entre C y D, de

coordenada x e y, es W=w·x.

Esta es la ecuación de una parábola de eje vertical con el vértice en el origen de coordenadas.

Por tanto, la curva que forman los cables sometidos a cargas uniformemente distribuidas sobre

la horizontal es una parábola.

Para calcular por último la longitud del cable desde el punto más bajo al soporte B puede

obtenerse mediante la fórmula:

Resumen Como resumen de este trabajo realizado la principal conclusión a la que he llegado es

que en el mundo de la mecánica tiene una grandísima importancia los cables mecánicos puesto

que gracias a ellos podemos ahorra en material y realizar construcciones que si no se utilizaran

cables serían muy costosas y de un peso muy elevado, también cabe destacar que la utilización

de este tipo de herramienta utilizada en la mecánica se lleva utilizando desde hace muchos año

gracias a su simple aplicación y la gran facilidades que nos dan puesto que simplifica los

mecanismos y nos permite soportar cargas y tensiones de gran valor.

También he podido observar los diferentes tipos de cables existente y esto es un clarísimo

reflejo de la multitud de aplicaciones que puede tener esta herramienta en el mundo de la

mecánica ya que los cables como podemos observar se utilizan desde un mecanismo de una bici

o un coche (cable Bowden) hasta algo como puede ser la cubierta de un edificio, en el que

soporta una gran tensión, o siendo la principal sujeción de infinitésimos puentes.

Por ultimo lo que cabe destacar es que sigue investigando e innovando en el descubrimiento de

cables de materiales más resistentes y más económicos que mejoran los inconvenientes que

pueda tener los cables actuales

Bibliografía http://html.rincondelvago.com/cables-de-acero.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Cable_mec%C3%A1nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Cable_Bowden

http://html.rincondelvago.com/elementos-flexibles-para-generar-movimiento.html

http://www.agcontinental.com/index.php?option=com_content&view=article&id=225&Itemid=

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http://estructuras.eia.edu.co/estructurasI/cables/cables.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Cable_de_acero#Tipos_de_cables

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