I ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITO CARRERA DE INGENEIRA CIVIL MANUAL DE DISEO DE CIMENTACIN TIPO PRTICO PARA EQUIPO DINMICO PREVIA A LA OBTENCIN DEL TITULO DE: INGENIERO CIVIL ELABORADO POR: EDUARDO SEBASTIN LPEZ MORENO SANGOLQU, JUNIO 28 DEL 2010 II RESUMEN Lascimentacionesdemquinassonpartefundamentaldetodocomplejoindustrial.Sepresentanlasconsideracionesprincipalesyloscriteriosdediseoparaproyectar cimentaciones seguras y eficientes. La diferencia con las cimentaciones convencionales, radicaenelanlisisdinmicoquesedebedesarrollarparadeterminarquelas frecuenciasdelsistemamquinacimentacinseandistintasdelafrecuenciade operacinnormal delamquinay quelas amplitudes del sistema seenmarquen dentro de los lmites permisibles. SepresentaademsunejemploprcticodeldiseodeunaCimentacinTipoPrtico utilizando SAP 2000,para un Equipo Turbogenerador de 25 MW y 3000 rpm ABSTRACT Foundationsofmachinesareafundamentalpartofeveryindustrialcomplex.We presentthemainconsiderations,andprojectdesigncriteriaforasecureandefficient foundations. The difference with conventionalfoundationsliesin the dynamicanalysis shouldbedevelopedtodeterminethefrequenciesofmachinefoundationsystemare different from the normal operating frequency of the machine and that the amplitudes of the system is framed within the permissible limits. It also presents a practical example of designing a Framed Foundation using SAP 2000, for a 25 MW turbo-generator equipment and 3000 rpm III CERTIFICACIN CertificoqueelpresentetrabajofuerealizadoensutotalidadporelSr.EDUARDO SEBASTIN LPEZ MORENO como requerimiento parcial a la obtencin del ttulo de INGENIERO CIVIL. Sangolqu, Junio del 2010 ______________________________________________ Ing. Marcelo Guerra AvendaoIng. Ernesto Pro Zambrano DIRECTORCODIRECTOR REVISADO POR __________________________ Ing. Jorge Zuiga Gallegos DIRECTOR DE LA CARRERA IV DEDICATORIA Atodamqueridafamilia,enespecialamispadresyhermanosdeloscualeshe recibidoincontablesvecessuapoyoincondicionalalolargodeldesarrollodeeste proyecto de grado y de la carrera. A mis amigos por tener la suerte de compartir junto a ellos esta etapa de la vida. Eduardo Sebastin Lpez Moreno V AGRADECIMIENTO A la Virgen Dolorosa, por cuidar siempre de m y mi familia al mismo tiempo que nos llena de incontables bendiciones. AmispadresMiltonyTeresa,losngelesdelaguardademivida,dequieneshe aprendido los principios que rigen a una persona de bien. AgradezcoeltiempoyconocimientoquerecibdepartedemiDirectordeTesisIng. Marcelo Guerra y Codirector Ing. Ernesto Pro. Eduardo Sebastin Lpez Moreno VI INDICE DE CONTENIDOS CAPTULO I INTRODUCCIN 1.1 INTRODUCCIN. .......................................................................................................... 1 1.2 REQUERIMIENTOS GENERALES. .............................................................................. 2 1.3 CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO. ..................................................................... 3 1.4DATOS DE DISEO. .................................................................................................... 3 1.5CRITERIOS GENERALES DE DISEO ....................................................................... 4 i.Estado lmite de falla ...................................................................................................... 4 ii.Estado lmite de servicio ................................................................................................. 4 1.6AMPLITUDES PERMISIBLES. ..................................................................................... 7 1.7PRESIONES PERMISIBLES. ........................................................................................ 9 1.7.1SUELO ........................................................................................................................... 9 i.Consideraciones Generales ............................................................................................. 9 ii.Presin permisible en funcin de la velocidad de propagacin de las ondas ..................... 9 iii.Presin permisible para cargas dinmicas aplicando un factor de reduccin................... 12 1.7.2OTROS MATERIALES ................................................................................................ 13 1.8 TRASMISIN DE VIBRACIONES Y COMO DISMINUIRLAS ................................. 13 1.9RESONANCIA Y SUS EFECTOS ............................................................................... 14 CAPITULO 2 TIPOS DE CIMENTACIONES PARA EQUIPO DINMICO 2.1. CLASIFICACIN DE EQUIPO DINMICO 2.1.1.EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE OPERACIN .............................................. 18 i.Frecuencias bajas a medias0 500 rpm ....................................................................... 18 ii.Frecuencias medias a altas500 1000 rpm .................................................................. 18 iii.Frecuencias muy altas > 1000 rpm ................................................................... 18 2.1.2.EN FUNCIN DE LA MEDICIN Y EVALUACIN DEVIBRACIONES .......................................................................................................................... 19 VII 2.1.3.BASADAS EN EL CRITERIO DE DISEO DE SUS FUNDACIONES ...................... 19 i.Las que producen fuerzas de impacto ............................................................................ 19 ii.Las que producen fuerzas peridicas ............................................................................. 20 iii.Maquinaria de velocidad alta ........................................................................................ 20 iv.Otras mquinas miscelneas.......................................................................................... 20 2.2. TIPOS DE CIMENTACIONES. .................................................................................... 21 2.2.1.TIPO BLOQUE ............................................................................................................ 21 i.Hiptesisbsicas para el anlisis de cimentaciones tipo bloque para mquinas de impacto ..21 ii.Hiptesisbsicas para el anlisis de cimentaciones tipo bloque para mquinas de fuerzasperidicas...................................................................................................................... 21 2.2.2.TIPO CAJA .................................................................................................................. 22 2.2.2.TIPO MURO ................................................................................................................ 22 2.2.4.TIPO PRTICO............................................................................................................ 22 2.3.CIMENTACIN TIPO PRTICO ................................................................................ 23 2.3.1.USOS............................................................................................................................ 23 i.Funcin y tecnologa de los Turbogeneradores .............................................................. 23 2.3.2.VENTAJAS .................................................................................................................. 26 2.3.3.TIPOS DE CIMENTACIONES TIPO PRTICO .......................................................... 26 i.Tipo 1 ........................................................................................................................... 29 ii.Tipo 2 ........................................................................................................................... 30 iii.Tipo 3 ........................................................................................................................... 31 iv.Tipo 4 ........................................................................................................................... 32 v.Tipo 5 ........................................................................................................................... 33 CAPTULO III ANLISIS Y DISEO DE CIMENTACIONES TIPO PRTICO 3.1DATOS DE DISEO ................................................................................................... 34 3.1.1.DATOS DE LA MQUINA ......................................................................................... 34 3.1.2.DATOS DEL SUELO ................................................................................................... 35 3.2. CONSIDERACIONES ESPECIALES AL PROYECTAR ............................................. 35 3.3.CRITERIOS PRINCIPALES DE DISEO ................................................................... 38 3.4.ANLISIS DINMICO ............................................................................................... 38 VIII 3.4.1.MTODO DE LA RESONANCIA ............................................................................... 40 i.Determinacin de las Frecuencias naturales .................................................................. 40 ii.Fuerzas Dinmicas ........................................................................................................ 44 3.4.2.MTODO DE LA AMPLITUD .................................................................................... 45 i.Fuerzas Desbalanceantes............................................................................................... 46 ii.Frecuencia Natural Vertical y Amplitud Vertical ........................................................... 50 iii.Frecuencia Natural Horizontal y Amplitud Horizontal ................................................... 57 iv.Fuerzas Dinmicas ........................................................................................................ 62 3.4.3.MTODO COMBINADO ............................................................................................ 63 i.Frecuencia Vertical ....................................................................................................... 63 ii.Frecuencia Horizontal ................................................................................................... 63 iii.Amplitudes ................................................................................................................... 64 iv.Fuerzas Dinmicas ........................................................................................................ 66 3.4.4.COMENTARIO DE LOS VARIOS MTODOS ........................................................... 68 3.5.DISEO ESTRUCTURAL ........................................................................................... 69 3.5.1.CASOS DE CARGA ..................................................................................................... 69 i.Cargas Muertas ............................................................................................................. 69 ii.Cargas de Construccin ................................................................................................ 70 iii.Cargas Dinmicas ......................................................................................................... 70 iv.Cargas Debidas a la Baja Presin en el Condensador ..................................................... 71 v.Efectos de Temperatura y Contraccin .......................................................................... 72 vi.Fuerza Debida al Efecto Ssmico ................................................................................. 72 3.5.2.DISEO DE LOS PRTICOS TRANSVERSALES ..................................................... 72 3.5.3.DISEO DE LOS PRTICOS LONGITUDINALES ................................................... 74 3.5.4.DISEO DE LA LOSA DE CIMENTACIN............................................................... 75 3.6.DETALLES CONSTRUCTIVOS ................................................................................. 75 3.6.1.HORMIGN ................................................................................................................ 76 3.6.2.REFUERZO.................................................................................................................. 77 3.6.3.JUNTAS DE EXPANSION .......................................................................................... 78 3.6.4.ELEMENTOS DE SUJECIN...................................................................................... 78 IX CAPTULOIV CLCULO Y DISEO DE UNA CIMENTACIN TIPO PRTICOMEDIANTE UN MODELO EN SAP 2000 4.1.ANTECEDENTES ......................................................................................................... 80 4.2.DESCRIPCIN DEL ESTUDIO ESTRUCTURAL ........................................................ 80 4.3.SOLICITACIONES ........................................................................................................ 81 4.4. MATERIALES .............................................................................................................. 82 4.4.1.HORMIGN ................................................................................................................ 82 4.4.2.ACERO ......................................................................................................................... 82 4.5.DETERMINACIN DE LAS FUERZAS LATERALES DE DISEO MNIMAS ......... 82 4.6.ANLISIS ESTRUCTURAL ....................................................................................... 83 4.6.1. CREACIN DEL MODELO ........................................................................................ 83 4.6.1.1.Tipologa Geomtrica ................................................................................................... 83 4.6.1.2.Definicin de Materiales ............................................................................................... 85 4.6.1.3.Definicin de Secciones ................................................................................................ 86 i.Geometra de elementos tipo shell ................................................................................. 86 ii.Clases de elementos tipo shell ....................................................................................... 87 iii.Creacin de la seccin del elemento Shell ..................................................................... 88 iv.Secciones definidas para el modelo de la cimentacin ................................................... 89 4.6.1.4.Asignacin de Cargas ................................................................................................... 91 i.Peso propio ................................................................................................................... 91 ii.Carga esttica (peso del turbogenerador) ....................................................................... 92 iii.Carga de operacin normal del turbogenerador ............................................................. 94 iv.Par de corto circuito ...................................................................................................... 96 v.Fuerzas ssmicas en los cojinetes en sentido X .............................................................. 98 vi.Fuerzas ssmicas en los cojinetes en sentido Y ............................................................ 100 vii.Carga viva .................................................................................................................. 103 viii.Peso del suelo de relleno ............................................................................................. 103 ix.Accin Dinmica ........................................................................................................ 103 4.6.1.5.Combinaciones de Carga ............................................................................................ 106 4.6.2. ESFUERZOS EN EL SUELO DE CIMENTACIN ................................................... 107 i.Esfuerzos para la combinacin de cargas COMB1 ...................................................... 109 X ii.Esfuerzos para la combinacin de cargas COMB2 ...................................................... 110 iii.Esfuerzos para la combinacin de cargas COMBu1..................................................... 111 iv.Esfuerzos para la combinacin de cargas COMBu2..................................................... 112 v.Esfuerzos para la combinacin de cargas COMBu3..................................................... 113 vi.Esfuerzos para la combinacin de cargas COMBux..................................................... 114 vii.Esfuerzos para la combinacin de cargas COMBuy..................................................... 115 4.6.3. AMPLITUDES MEDIDAS EN LOS COJINETES ...................................................... 116 4.6.4. MODELACIN DE ACCIONES DINMICAS ......................................................... 116 4.6.5.DETERMINACIN DE ESFUERZOS DE DISEO .................................................. 117 i.Determinacin de la combinacin de cargas crtica. .................................................... 117 ii.Determinacin de esfuerzos sobre los elementos debido a la combinacin de cargas COMBu2 119 4.6.5.1.Determinacin de momentos y cortantes en la losa de cimentacin debido a la combinacin de cargas COMBu2 ............................................................................................... 120 4.6.5.2.Determinacin de momentos y cortantes en la losa del generador debido a la combinacin de cargas COMBu2 ............................................................................................... 125 4.6.5.3.Determinacin de momentos y cortantes en la losa de la turbina debido a la combinacin de cargas COMBu2 ............................................................................................ .128 4.6.5.4.Determinacin de esfuerzos en muros ......................................................................... 131 4.6.6.DISEO A FLEXIN ................................................................................................ 135 4.6.7.CHEQUEO DE CORTE ............................................................................................. 136 CAPITULO V PLANOS DE INGENIERA DE DETALLE CAPITULO VICONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 CONCLUSIONES.137 6.2RECOMENDACIONES.....138 ANEXOS XI NDICE DE FIGURAS CAPTULO I INTRODUCCIN Figura 1.1 Lmites permisibles para amplitudes de vibraciones verticales..7 Figura 1.2 Resorte con oscilacin forzada.15 CAPTULO II TIPOS DE CIMENTACIONES PARA EQUIPO DINMICO Figura 2.1 Cimentacin tipo bloque...21 Figura 2.2 Cimentacin tipo caja22 Figura 2.3 Cimentacin tipo muro..22 Figura 2.4 Cimentacin tipo prtico...23 Figura 2.5 Disposicin general del equipo de un turbogenerador..24 Figura 2.6 Turbina de vapor...24 Figura2.7Turbogeneradorconcimentacintipoprtico,6,000kW=6MWde capacidad.29 Figura2.8Turbogeneradorconcimentacintipoprtico,24,000kW=24MWde capacidad.30 Figura2.9Turbogeneradorconcimentacintipoprtico,50,000kW=50MWde capacidad.31 Figura2.10Turbogeneradorconcimentacindemuroyprticos,100,000kW=100 MW de capacidad32 Figura 2.11 Cimentacin combinada (losa de hormign armado y estructura de acero) , Turbogenerador 30,000kW = 30 MW de capacidad...33 XII CAPTULO III ANLISIS Y DISEO DE CIMENTACIONES TIPO PRTICO Figura 3.1 Diagrama de Cargas para una Fundacin de Turbogenerador (a) Planta (b) Elevacin.34 Figura 3.2 Tpica Cimentacin tipo Prtico...36 Figura 3.3 Sistema modelo para un prtico transversal.41 Figura 3.4 Sistema acoplado para vibraciones verticales...41 Figura 3.5 Modelo del Sistema para Vibraciones Verticales.45 Figura 3.6 Fuerza Excitadora Debida al Desbalanceo Dinmico...47 Figura 3.7 Frecuencias lmite.....55 Figura 3.8 Masas Actuantes y Movimientos de la Estructura57 Figura 3.9 Modelo Simplificado Para Vibraciones Horizontales..58 Figura 3.10 Casos de Carga...69 Figura 3.11 Seccin Tpica de un Prtico Transversal (a) Con Acartelamiento (b) Sin Acartelamiento.73 Figura 3.12 Grafica para Determinar el Coeficiente para Prticos Acartelados.74 CAPTULOIV CLCULO Y DISEO DE UNA CIMENTACIN TIPO PRTICOMEDIANTE UN MODELO EN SAP 2000 Figura 4.1 Definicin de grilla...83 Figura 4.2 Grilla en 3D..84 Figura 4.3 Geometra de cimentacin tipo prtico84 Figura 4.4 Definicin de material..85 Figura 4.5 Geometra de elementos Shell (a) De 4 nodos(b) De 3 nodos..86 Figura 4.6. Grados de libertad elemento membrana.87 XIII Figura4.7.Elementotipoplaca(a)Gradosdelibertadelementoplaca,(b) Deformaciones elemento placa87 Figura 4.8 Secciones definidas para el modelo..89 Figura 4.9 Propiedades de cada seccin tipo shell definida para el modelo..90 Figura 4.10 Definicin de estados de carga91 Figura 4.11 Cargas estticas en la cimentacin..93 Figura 4.12 Cargas de operacin en la cimentacin...95 Figura 4.13 Par de corto circuito.......97 Figura 4.14 Fuerzas ssmicas en sentido X99 Figura 4.15 Fuerzas ssmicas en sentido Y..101 Figura 4.16Asignacin delcortante basalalos elementos rea delalosa de turbinay generador...102 Figura 4.17 Accin Dinmica...104 Figura 4.18 Funcin definida en el modelo..105 Figura 4.19 Caso de carga dinmica definida en el modelo.105 Figura 4.20 Esfuerzos en el suelo, combinacin de carga COMB1.109 Figura 4.21 Esfuerzos en el suelo, combinacin de carga COMB2.110 Figura 4.22 Esfuerzos en el suelo, combinacin de carga COMBu1...111 Figura 4.23 Esfuerzos en el suelo, combinacin de carga COMBu1...112 Figura 4.24 Esfuerzos en el suelo, combinacin de carga COMBu3...113 Figura 4.25 Esfuerzos en el suelo, combinacin de carga COMBux...114 Figura 4.26 Esfuerzos en el suelo, combinacin de carga COMBuy...115 Figura 4.27 Configuracin de ventana para presentacin de esfuerzos...117 Figura 4.28 Seccin de corte119 Figura4.29DimensindediscretizacionesynumeracindefranjasLosade Cimentacin...120 Figura 4.30. Losa de Cimentacin(a) Momentos X (M1)(b) Momentos Y (M2) (t.m) - Cargas factoradas COMBU2...121 XIV Figura 4.31. Losa de Cimentacin(a) Cortantes X (V13)(b) Cortantes Y (V23) (t.) - Cargas factoradas COMBU2122 Figura4.32DimensiondediscretizacionesynumeracindefranjasLosade Generador.125 Figura4.33.LosadeGenerador(a)Momentos X(M1)(b)MomentosY(M2) (t.m) Cargas factoradas COMBU2.125 Figura4.34.LosadeCimentacin(a)CortantesX(V13)(b)CortantesY(V23)(t)Cargas factoradas COMBU2.126 Figura4.35DimensindediscretizacionesynumeracindefranjasLosade Turbina.128 Figura4.36.LosadeTurbina(a)MomentosX(M1)(b)MomentosY(M2)(t.m) Cargas factoradas COMBU2.128 Figura4.37.LosadeTurbina(a)CortantesX(V13)(b)CortantesY(V23)(t.)Cargas factoradas COMBU2.129 Figura 4.38 Vista en planta de los tipos de muros de la estructura de cimentacin.131 Figura 4.39. Elevacin Muro Tipo 1. (a) Corte A, esfuerzos sentido X (t/m2)(b) Corte A , esfuerzos en sentido X (t/m2).131 Figura 4.40. Elevacin Muro Tipo 2 y Tipo 3. (a) Corte B, esfuerzos sentido X (t/m2)(b) Corte B , esfuerzos en sentido X (t/m2).132 Figura 4.41. Elevacin Muro Tipo 1. (a) Corte C, esfuerzos sentido Y (t/m2)(b) Corte C , esfuerzos en sentido Y (t/m2).133 Figura 4.42. Elevacin Muros Tipo 2. (a) Corte D, esfuerzos sentido Y (t/m2)..133Figura 4.43. Elevacin Muros Tipo 2. (a) Corte E, esfuerzos sentido Y (t/m2)..134 Muro Tipo 3 Muro Tipo 3 XV NDICE DE TABLAS CAPTULO I INTRODUCCIN Tabla 1.1 Amplitudes permisibles para mquinas de alta velocidad....8 Tabla 1.2 Relaciones entre los valores aproximados de lavelocidad de propagacin de las ondas y la tensin admisible esttica.............10 Tabla 1.3 Modulo de Poisson recomendado...11 Tabla 1.4Peso Especfico para varios tipos de suelos...11 Tabla 1.5 Modulo de Elasticidad para varios tipos de suelos.........11 Tabla 1.6 Esfuerzo admisible referencial para cargas estticaspara varios tipos de suelos...13 CAPTULO III ANLISIS Y DISEO DE CIMENTACIONES TIPO PRTICO Tabla 3.1 Espesores recomendados de losas de cimentacin directamente apoyadas sobre suelo...36 Tabla 3.2 Excentricidad del rotor en funcin de su velocidad...48 Tabla 3.3 Balanceo de Rotores de Mquinas a 1500 rpm..49 Tabla 3.4 Balanceo de Rotores de Mquinas a 3000 rpm......50 Tabla 3.5 Peso de los Rotores de Turbo-Generadores de Diferente Capacidad.70 Tabla 3.6 Cantidad Aproximada de Hormign Armado en m3 ..77 CAPTULOIV CLCULO Y DISEO DE UNA CIMENTACIN TIPO PRTICOMEDIANTE UN MODELO EN SAP 2000 Tabla 4.1 Peso especfico de cargas muertas..81 XVI Tabla 4.2 Cargas estticas enla cimentacin....92 Tabla 4.3 Cargas de operacin en la cimentacin..94 Tabla 4.4 Par de corto circuito96 Tabla 4.5 Fuerzas ssmicas en sentido X98 Tabla 4.6 Fuerzas ssmicas en sentido Y..100 Tabla 4.7 Accin Dinmica..104 Tabla 4.8 Amplitudes en los cojinetes..116 Tabla 4.9 Frecuencias del sistema y suma de la masa participativa modal..117Tabla 4.10 Determinacin de combinacin de cargas crtica...118 Tabla4.11.MomentosyCortanteenDireccinXenFranjasdeLosade Cimentacin...123 Tabla4.12.MomentosyCortanteenDireccinYenFranjasdeLosade Cimentacin...123 Tabla4.13.MomentosyCortanteenDireccinXenFranjasdeLosade Generador.126 Tabla4.14.MomentosyCortanteenDireccinYenFranjasdeLosade Generador.127 Tabla 4.15. Momentos y Cortante en Direccin X en Franjas de Losa de Turbina..129 Tabla 4.16. Momentos y Cortante en Direccin Y en Franjas de Losa de Turbina..130 Tabla 4.17 Momentos y cargas actuantes en el Muro Tipo 1...134 Tabla 4.18 Momentos y cargas actuantes en el Muro Tipo 2...134 Tabla 4.19 Momentos y cargas actuantes en el Muro Tipo 3..135 Tabla 4.20 Diseo a flexin de losas136 Tabla 4.21 Chequeo de cortante...136 XVII NOMENCLATURA UTILIZADA aAmplitud adAmplitud AvAceleracin de las vibraciones, expresada como proporcin de la gravedad Abrea de la seccin transversal de cada vigaACrea de la seccin trasversal de cada columnaCi Magnitud de las fuerzas excitadoras C Fuerza centrifugaDDimetro de la carcasa del generador EModulo de elasticidad(kg/cm2) eExcentricidad del rotor eDistancia entre el centro de gravedad y el centro de rigidez horizontal Sumatoria FFuerza FFuerza dinmica

Fuerza dinmica mximafvFrecuencia natural vertical del sistema (rad/seg) fiFrecuencia natural vertical del prtico transversal i (rad/seg) fhFrecuencia natural horizontal GCoeficiente de resistencia al cortegAceleracin de la gravedad hAltura efectiva de las columnasIImportancia de la estructura. ISCodigo Estndar Indu IbMomento de inercia centroidal de la seccin transversal de la vigaIcMomento de inercia centroidal de la seccin trasversal de las columnasKRigidez del sistema XVIII KRelacin de rigidez Kh Rigidez horizontal de cada prtico transversal (t/m) Ks Coeficiente de balastolLongitud efectiva de la vigaM Momento excitadormMasa del sistema

Masadelasvigaslongitudinalesqueseapoyanencadanudoyladelequipo mecnico que se apoya en ellas

Masa de la viga transversal

Masa de cada columnaN Frecuencia de operacin de la mquina (rpm) NCarga que transmiten las vigas longitudinales a cada columna del prtico i.Relacin de frecuencias m/ n nNmero de prticos transversales Momento total de inercia de las masas mi respecto al centro de masas. P Factor de configuracin estructural en plantaE Factor de configuracin estructural en elevacinPPeso de la maquinariaPvFuerza dinmica verticalPh Fuerza dinmica horizontal q Presin de contacto de estructura de cimentacin en el suelo qPeso propio por unidad de longitudQPeso de la estructura de cimentacin que carga la viga del prtico i RPeso del rotor del turbogenerador RFactor de reduccin de respuesta estructural r Radio de giro SFactor de suelo.TPeriodo de vibracin. Factor dinmicoXIX VFuerza cortante en la base VVelocidad de propagacin de las ondas (m/s2) Modulo de Poisson WPeso del sistema WCargas de operacin normal en los cojinetes y el peso de la estructura m Frecuencia de operacin de la mquina (Hz) n Frecuencia natural del sistema

Frecuencias limite

Frecuencias limiteXGi Distancia al centro de gravedad XHi Distancia al centro de rigidez ZFactor de zona ssmica, Quito = 0.40st Presin admisible del suelo para cargas estticas (kg/cm2) d Presin admisible del suelo para cargas dinmicas (kg/cm2) Desplazamiento, asiento de la estructura de cimentacin.st Desplazamiento esttico v Desplazamiento esttico vertical el centro del claro 1 Deflexin debido a la carga concentrada2Deflexin debido a la carga uniformemente distribuida3Deflexin debido al corte 4Compresin de la columna debido a la carga axial

Desplazamiento lateral debido a una fuerza horizontal unitaria Peso especfico del suelo (t/m3) Rigidez torsional del sistema Frecuencia de los diferentes modos de vibracin del sistema Decremento logartmico de amortiguamiento XX CAPITULO I INTRODUCCIN 1.1INTRODUCCIN. Lascimentacionesdemquinasformanpartevitalyextensadecualquier complejoindustrial, sien el passe orientanlos recursos ala reactivacin productiva, existiruncrecimientodelaindustria,evidentementelascimentacionesdemquinas asumirn gran importancia en el contexto de la economa nacional. Eneldiseodeunacimentacinparamaquinariadebedefinirselaforma estructural de la cimentacin, sus dimensiones y su refuerzo, de modoque se logre un gradorazonabledeseguridadcontralafallaestructuralylafalladelsuelo,yquelas vibracionesdebidasalfuncionamientodelamquinanoseanperjudicialesalapropia mquina, ni causen molestias o daos en las inmediaciones.Desdeelpuntodevistaexclusivodelclculo,cuantomayorseaelpesodela cimentacin,msreducidassernlasamplitudesdelasvibraciones.Peroesteefecto positivo tiene sus lmites. Por un lado, el terreno de fundacin no tiene una capacidad de carga ilimitada y, por el otro, los costes de una cimentacin aumentan exponencialmente cuanto mayor sea el peso de sta. Es necesario entonces proyectar cimentaciones seguras y eficientes, para esto se deberealizarunanlisisestticoydinmico,esteltimopermitechequearquela frecuencia del sistema formado por la mquina, cimentacin y suelo, sea distinta de las frecuencias de operacin de la mquina, para evitar la resonancia, y adems determinar laamplituddevibracindelacimentacinynopermitirquestasobrepaseuncierto lmite permisible, definido para cada mquina.En la mayora de los casos, debido a razones de funcionamiento y operacin, la formaestructuraldelacimentacinseencuentradeterminadadeantemano;eneste manualsepresentancriteriosgeneralesyrecomendacionesbsicasparacimentaciones tipo bloque para mquinas de fuerzas peridicas y para mquinas de impacto, y se hace unestudiomsamplioparacimentacionestipoprtico,lascualessonexclusivaspara mquinas que trabajan a altas velocidades, como turbogeneradores. Serecomiendaquealdisearlacimentacinseconsiderenlospuntosdevista del fabricante de la mquina, de los tcnicos que la instalarn y de los que la operarn, as como de los autores del proyecto general de esas instalaciones. 1.2REQUERIMIENTOS GENERALES.Los siguientes requerimientos debern cumplirse para el diseo: XXI i.La cimentacin debe ser capaz de soportar las cargas superpuestas, sin causar fallasdecorteoaplastamiento.As,enelcasodemacizosaisladosde mquinasdebeutilizarsesiempreelhormignarmado,yaqueposeeuna granresistenciaalaflexinydagarantascontralarotura,permitiendo igualmente disminuir las dimensiones del macizo, lo que asegura un aumento de la superficie til y reduce el costo. ii.Para evitar la falla del suelo, los asentamientos de la estructura deben inducirpresionesdecontactomenoresquelapresinadmisibledelsuelo.Los asentamientospermisiblesestnindicadosenelinformedemecnicade suelos, normalmente hasta 25 mm. iii.Elcentrodegravedadcombinadodelacimentacinydelamquinadebe estarenlamedidadeloposibleenlamismalneaverticaldelcentrode gravedad del plano base.iv.Paraevitarquesepresenteelfenmenodelaresonancia,lafrecuencia naturaldelsistemacimentacin-suelo,debesermsgrandemspequea comparada conlafrecuencia de operacin delamquina. Paramquinas de velocidad baja, la frecuencia natural del sistema debe ser alta, y viceversa. El fenmenodelaresonanciasecaracterizaporproducirdesplazamientos excesivos, de ah que debe evitarse siempre. v.Lasamplitudesencondicionesdeserviciodebenestarentreloslmites permisibles.Loslmitespermisiblesgeneralmentesonprescritosporlos fabricantes de las mquinas. vi.Todaslaspartesgiratoriasyoscilantesdelamquina,debenestar balanceadas, paraminimizarfuerzasymomentos desestabilizadores, esto es generalmenteresponsabilidaddelingenieromecnico.Eldesbalanceoo desequilibriodeunrotor,sedefinecomnmentecomoladistribucin desigualdepesodeunrotoralrededordesulneacentralderotacin.El desbalanceoesunadelasprincipalescausasdevibracinenmaquinara rotativa.Esteefectoindeseable,inducefuerzasnocivasenmquinay estructura,locualpuedeprovocarfallaprematuraenrodamientos,acoples, carcasas, estructuras, etc. Adems la vibracin puede ser transmitida a travs depisos,paredes,ductos,etc.,consuconsecuenteefectonegativosobre equipos externos, oficinas y personal.vii.Cuando sea posible, la fundacin debe planificarse de tal manera que permita unamodificacinposteriordesufrecuencianatural,cuandoestosea necesario,selogramodificandolamasa(m)origidez(k),debidoaque frecuencia natural, est en funcin de estos parmetros Desde el punto de vista prctico, los siguientes requerimientos se debern cumplir: i. Elnivelfreticodebeubicarsepordebajodelplanodelabasedela estructura, se recomienda por lo menos igual a una cuarta parte del ancho de XXII lacimentacin.Estolimitalapropagacindelasvibraciones,debidoaque las aguas subterrneas son buenos conductores de las ondas vibratorias.ii.Lacimentacindemquinasdebeestarseparadadeloscomponentesde edificios o estructuras adyacentes, mediante juntas de expansin. iii.Algunaemisindevaporotuberadeairecaliente,embebidaenla cimentacindebe tener recubrimiento aislante. iv.Lacimentacindebeestarprotegidadeemisionesdeaceitedelamquina, con un recubrimiento anticido o algn tratamiento qumico. v.La cimentacin de la mquina deber estar en un nivel ms bajo que el nivel de cimentaciones de edificios colindantes. 1.3CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO. Lasdimensionesdelacimentacindelamquinasonfijadasenconcordancia con los requerimientos de operacin de la mquina. Lasdimensionesdeesquemadelacimentacinsongeneralmente proporcionadasporlosfabricantesdemquinas.Silaeleccindelasdimensionesse asignaaladediseo,deberevisarsequeestassean,porlomenos,igualquelas dimensiones mnimas posibles de la cimentacin, para que cumplan con los criterios de diseoseleccionados. Dadaslasdimensionesdelacimentacinylascondicionesdelsitioenparticular,el diseadordebedeterminarlafrecuencianaturaldelsistemacimentacin-sueloyla amplituddesusvibracionesencondicionesdefuncionamiento.Paraeldiseo satisfactorio,losrequerimientosexpuestosenelsubcaptulo1.2deberncumplirse.Si losrequisitosdediseonosecumplen,eldiseadorpuedesugeriralteracionesenlas dimensiones de la cimentacin proporcionada por los proveedores de la mquina. 1.4DATOS DE DISEO. Losdatosespecficosrequeridosparaeldiseovarandeacuerdoaltipode mquina.Losdatosgeneralesrequeridosparaeldiseodeunacimentacinpara mquina son: i.Diagrama o plano dimensional y localizacin de equipos y accesorios.ii.Diagrama de localizacin y magnitud de las cargas estticas y dinmicas sobre la cimentacin. iii.Potencia y velocidades de operacin de la mquina. iv.Tipo de suelo de cimentacin. XXIII 1.5CRITERIOS GENERALES DE DISEO Todacimentacinparamaquinariadeberserdiseadacumpliendolos siguientes criterios generales. i.Estado lmite de falla a)Estado lmitepor falla del suelo Elterrenosobreelcualseapoyalacimentacinnodeberpresentarningn estadodefallacuandoestsujetoalassolicitacionesestticasydinmicasproducidas por la cimentacin que soporta. b)Estado lmite por falla de la estructura de cimentacin La estructura de cimentacin no deber presentar ningn estado de falla cuando se le someta a las solicitaciones estticas y dinmicas producidas por la maquinaria que soporta. ii.Estado lmite de servicio a)Estado lmite por vibracin de la mquina Para funcionar correctamente, tanto las mquinas alternantes como las giratorias requierenque,bajocondicionesdeoperacin,no seencuentrensujetasamovimientos excesivos.Enlamayoradeloscasos,losmovimientosmximosaceptablesson definidosporelfabricantedelequipo,comnmenteestableciendolmitesparalos desplazamientosendireccionesypuntosespecficos.Enotroscasos,seproporcionan lmites superiores paralavelocidady/o aceleracin. Vibraciones excesivas en este tipo demquinaspuedenllevaradesgastesheterogneosyprematuros,queaumentanel costo del mantenimiento y disminuyen la vida til del equipo. En el caso de mquinas que producen impacto como los martillos mecnicos, es deseable mantener los desplazamientos de la cimentacin misma en valores mnimos, a causadequeamayoresmovimientosdelacimentacin,menoseslaenergadel impactoqueseaprovechaeneltrabajopropiodelamquina,ydisminuyeen consecuenciasueficiencia.Lasmquinasqueproducenimpactosonengeneralla principal fuente de transmisin de vibraciones al terreno adyacente. b)Estado limite por resonancia Cuando alguna de las frecuencias de operacin (la fundamental o las armnicas) deunamaquinariacoincideconalgunadelasfrecuenciasnaturalesdelsistema cimentacin-suelo,sepresentalaresonancia.Elfenmenodelaresonanciase caracteriza por amplificar los desplazamientos, de ah que debe evitarse siempre. c)Estado lmite por transmisin de vibraciones XXIV Losmovimientosquesepresentanenlacimentacindeunamquina introducen energa al suelo, la cual se propaga en forma de ondas, las vibraciones de la mquina trasmitida al suelo a travs de su cimentacin bajo condiciones de servicio, no debern ser molestas a personas que requieran permanecer cercadel equipo, ni debern afectar el funcionamiento de otras mquinas o estructuras vecinas. Los efectos de estos movimientos pueden estimarse utilizando la figura 1.1. Cuandolamquinaproduzcaenelsuelovibracionesexcesivas,esposible reducirlaenergatransmitidaalsuelo,colocandolacimentacinsobreunacamade elementoselsticos,porejemplounconjuntoderesortes.Debenotarsequeenestos casosla energa quehubiera sido transmitida al suelo deno haberexistidolos resortes tienequeserabsorbidaporelconjuntomquina-cimentacin,porloquesonentonces los movimientos de la mquina misma los que aumentan. Otraformaenlaqueesposibledisminuirlasvibracionesdelacimentaciny, portanto,laenergatransmitidaalsueloesmedianteelusodeunamortiguador dinmico.Unamortiguadordinmicoconsisteenunapequeamasayunresortecon valores particulares tales que, al sujetarse a la cimentacin, atrae gran parte de la energa devibracin.Loanteriorhacequelapequeamasatengamovimientosgrandespero logra que se reduzcan los de la cimentacin. Tratndosedeaparatosdeprecisinquepuedenserafectadosaunpor vibraciones pequeas, en ocasiones es preferible aislar el aparato del medio en el cual se propaganlasvibraciones,envezdetratardereducirlaintensidaddelafuentequelas produce.Loanteriorsepuedelograrsielapoyodelaparatosobreelsuelosehacea travs de porciones de hule o elastmero que trabaje fundamentalmente a corte. Comoguaafindeproponerunacimentacinquecumplaconlosrequisitos anteriores para condiciones de servicio, se aplicarn los criterios bsicos que siguen: i.Mquinas de velocidad baja, m < 500 rpm. Paraestaclasedemquina,sedebeusaruncimientodealtafrecuencia.La primera frecuencia natural del sistema debe ser 40 por ciento a 50 por ciento mayor que la frecuencia de operacin de la mquina. ii.Mquinas de velocidad intermedia, 500 1000 rpm. Paramquinas de altavelocidad, es obligatorio uncimiento de bajafrecuencia. La primera frecuencianatural del sistema debe ser de 40 por ciento a 50 por ciento ms bajaquelafrecuenciadeoperacindelamquina.Durantelapuestaenmarchay detencin,elsistemapasaratravsdevariasfrecuenciasnaturales,ylasamplitudes del sistema pueden resultar excesivas. Otra desventaja de esta solucin es la posibilidad de resonancia en un modo de vibracin. iv.Mquinas de velocidad variable Para una mquina de velocidad variable, la mejor solucin, cuando sea prctico, es un cimiento de alta frecuencia. Si tuviera que usarse un cimiento de baja frecuencia, esimportanteconsiderarlaposibilidadderesonanciaenmodossuperiores.Estoes crticopuestoquelasfuerzasdinmicassernmsgrandesporserproporcionalesal cuadrado de la frecuencia de excitacin. Enundiseoconservador,serecomiendaunanlisisdevibracinforzada, despusdeobtenerlasfrecuenciasnaturalesdelsistema.Paramquinasdevelocidad baja,essuficienteunanlisisdevibracinlibresilaprimerafrecuencianaturaldel sistemaescuandomenos50porcientomsaltaquelavelocidaddeoperacindela mquina. 1.6AMPLITUDES PERMISIBLES. La amplitud esla separacin de un punto especfico con respecto a su posicin deequilibrioanteunafuerzaaplicada.Lasamplitudespermisiblessongeneralmente especificadasporlosproveedoresdelasmquinas.Laamplitudpermisibledeuna cimentacin de mquina, est en funcin de la importancia relativa de la mquina y por la sensibilidad a la vibracin de las estructuras vecinas.Losvalorespermisiblesdelasamplitudesdevibracinnopuedenestablecerse en funcin de premisas tericas. Ms bien estos valores se establecen partiendo de datos deoperacin,afaltadeinformacindepartedelfabricantedelequipo, oparadiseos preliminares,puedenutilizarselossiguientescriteriosquelimitanlosmovimientos mximos. i.Paramquinasalternantesogiratoriassobrecimentacindebloque,las amplitudesverticalesmximaspermisiblesenelequiposemuestranenlafigura1.1Losvaloresdescritosenestafiguraindicannicamentelmitespor seguridad y no para una operacin totalmente satisfactoria de la mquina. XXVI Figura 1.1 Lmites permisibles para amplitudes de vibraciones verticales(After Richart, Vibration of Soil and Foundations, Prentice-Hall Inc. New Jersey, USA 1970) ii. Paramaquinariaconvelocidaddeoperacinbaja,alrededorde500rpm,la amplitud permisible est comprendida entre 0,2 mm a 0,25 mm iii.La amplitudvertical permisible enla cimentacin demartillosmecnicos sobre cimentacindebloque,cuandoenlosalrededoresnoseaceptanvibraciones excesivas, est comprendida entre 1 mm a 1,2 mm iv.Paramquinasgiratoriasdealtavelocidaddesplantadassobrecimentaciones tipoprtico.Barkan,D.D.eneltextoDynamicofBasesandFoundations, propusolassiguientesamplitudespermisibles,medidasenloscojinetesdela mquina (en cojinetes centralesla amplitud permisible es del orden del 75% de la amplitud en cojinetes extremos) Tabla 1.1 Amplitudes permisibles para mquinas de alta velocidad Velocidad de operacin Amplitudes permisibles (mm) 3000 rpm Vibracin vertical0.02 a 0.03 Vibracin horizontal0.04 a 0.05 XXVII 1500 rpm Vibracin vertical0.04 a 0.06 Vibracin horizontal0.07 a 0.09 5 1.7.2OTROS MATERIALES Las presiones permisibles sobre otros materiales elsticos como el fieltro, corcho y el caucho son proporcionadosgeneralmente porlas empresas defabricacin de estos materiales, en consecuencia no se sugieren valores especficos.. XXXII 1.8TRASMISIN DE VIBRACIONES Y COMO DISMINUIRLAS Lasvibracionesqueunamquinaenoperacininducealacimentacinson trasmitidas al suelo en forma de ondas que se propagan a su alrededor. La magnitud de losmovimientosdelaszonasvecinasalacimentacindependedelamagnituddelas vibraciones de la cimentacin, de su forma de apoyo y de las caractersticas del suelo. Entre los tipos demovimientos que se presentanen el terreno, losmovimientos verticalesdelasuperficieproducidosporvibracionesverticalesdelacimentacin resultan ser los ms importantes. En el caso demacizos demquinas esmuyimportante no arriesgarse a ampliar las vibraciones al principio, pues luego sera muy difcil filtrarla, adems la cimentacin debe tener unafrecuencia propia tan diferente como sea posible delasvibraciones que son de temer, esto debe cumplir no solamente la cimentacin, sino tambin el conjunto de la obra y cada uno de sus elementos.Enocasioneselproblemadelasvibracionescontinua,debidoaqueestas condiciones, son necesarias pero nosuficientes para evitarinconvenientes. La solucin consisteenintercalarentreelorigendelasvibracionesylosedificiosaaislarun dispositivo elstico absorbente, cuya frecuencia propia sea netamente diferente de la de lasvibracionesafiltrar(comomnimoel30%aproximadamente).Elprincipioms antiguoconsisteenintercalarresortesomuellesentreelrganogeneradordelas vibraciones y su soporte. Pero este mtodo presenta un cierto nmero de inconvenientes para un soporte de mquina. La gran elasticidad de estos dispositivos es molesta para las mquinasquedebenseracopladasatuberas.Tampocoesposiblesuutilizacinen mquinas que operan por choques, comolas prensas olosmartillos pilones,ya queno seobtieneunforjadoounaimpresincorrecta.Ademslaroturadeunsoloresorte puedetenerconsecuenciasperjudiciales,ydebentenerlibreaccesoparasu mantenimiento. Finalmente los resortes no absorben en absoluto el ruido. Lossistemasderesortepuedensermejoradosmediantesistemas amortiguadores,porejemplo,elaceite,perosellegaasasolucionescomplejas,sin eliminar totalmente los inconvenientes de los resortes. Otromtodoconsisteenlautilizacindeunacolchadodefieltro,delana mineral,fibradevidriouotrosmaterialesaislantes,queabsorbenmucholosruidos. Efectivamente,estosmaterialesaslaneficazmentelossonidosemitidosenunespacio cerrado.Perosuausenciadeelasticidadlosvuelvepocoeficaces,cuandosetratade filtrarvibracionesdenotableamplitud,siendotransmitidosdirectamente,lomismo ocurre con el cartn asfltico.El corcho aglomerado parece ser en la actualidad el material cuya utilizacin ha sidomsgeneralizada.Eselsticoyaislante,yademsprcticamenteimputrescible, inatacable por el agua y por el aceite. XXXIII 1.9 RESONANCIA Y SUS EFECTOS Parailustraralgunosdelosaspectosmsrelevantesdelfenmenodela resonancia,esconvenientedesarrollarelanlisisdeunsistemasencillocomoeselde unamasamligadaaunresortedeconstanteelsticaK,yaqueestecaso,peseasu sencillezilustraconceptosbsicosdelfenmenoquesepresentanencasosmscomplejos. Paradescribirladinmicadeunamasaacopladaaunresortesepartedela2 Ley de Newton (1.4) Seproponecomosolucinparasuposicinenfuncindeltiempoun movimiento armnico simple (1.5) Dondeadamplitud Al sustituir esta funcin en la ecuacin 1.4 se tiene que la frecuencia angular con que en el estado estacionario se mover la masa es (1.6) Es de hacer notar que la frecuencia angular no depende de la amplitud sino solo delaconstanteKdelresorteydelamasa,portanto,estesistematieneunasola frecuenciaqueadoptaenformaespontneaencuantoseledejaoscilarlibremente, por ello se le denomina frecuencia natural del sistema. Seanalizaahoraelcasodeunosciladorforzado,paraelloseaplicasobrela masaotrafuerzamslacualtendruncarcterperidicoconunaamplitudF, frecuencia angular m y actuando en la direccin del eje del resorte, tal como se observa en la figura 1.2 Kydty dm =22t a t yd 0cos ) ( e =mKn = eXXXIV F(t)mK Figura 1.2 Resorte con oscilacin forzada. SilafuerzaexternaperidicatienelaformaF=P0 cosmt,entonceslafuerza total que acta sobre la masa m es F = Ky + P0 cosmt(1.7) Ahora la segunda ley de Newton toma la forma (1.8) Si al igual que el caso anterior se propone como solucin de la anterior ecuacin y = ad cosmt, con m la frecuencia angular de la fuerza externa, al sustituir este valor de y, as como de su segunda derivada respecto al tiempo se tiene que (1.9) y al despejar el valor ad de la amplitud de la oscilacin sta tiene el valor (1.10) Perodeacuerdoa(1.6) 2nm K e =, asesquesustituyendoestevalorenla anterior relacin se obtiene finalmente que (1.11) t Kydty dmme cos P022+ =t P t Ka t mam m d m m de e e e cos cos cos02+ = | |20mdm KPae =| |2 20m ndmPae e =XXXV Se observa que cuando m tiende a n, el valor absoluto de la amplitud ad tiende ainfinito. En esta situacin en que elsistema elstico tiende a oscilar con unamxima amplitud se dice que el sistema entra en un estado de Resonancia. Si nos aproximamos a la frecuencia natural con valores mayores que n. El valor delaamplitudtendrvaloresnegativos;paraevitarestecomportamientoanmalose introduce en la solucin propuesta un ngulo de fase (1.12) En consecuencia serigual a 0 paravalores demmenores quen,y para valores mayores. Para que este comportamiento sea unmodeloms realista se toma en cuentala friccin.Queesproporcionalalavelocidaddelamasa,entonceslasegundaleyde Newton que es: (1.13) siendo b una constante de proporcionalidad, la amplitud resultante es (1.14) Aunqueahoralaamplitudmximayanoocurrecuandolafrecuenciadela fuerzaexternaesexactamentelafrecuencianaturaln,paramuchosproblemasde inters la diferencia no es considerable. El fenmeno de la resonancia requiere por tanto: a.De un sistema elstico que presente frecuencias naturales de vibracin, b.De una fuerza externa de tipo peridico que acte sobre el sistema elstico, c.De una coincidencia entre ambos tipos de frecuencia. Enunamquinaqueproduceunespectroanchodeenergadevibracin,la resonanciasepodrverenelespectro,comounpicoconstanteaunquevariela velocidad de la mquina. El pico puede ser agudo o puede ser ancho, dependiendo de la cantidad de amortiguamiento que tenga la estructura en la frecuencia en cuestin. Para evitar estados de resonancia, se define la relacin de frecuencias , ) cos( o e + = t a ym ddtdyb t P Kydty dmm + = e cos0222 / 122 20) (/(((

|.|

\|+ =m m ndmbm Pae e eXXXVI (1.15) Esdeseablequeeneldiseodeestructurassometidasacargasdinmicas,la relacin de frecuencia este alejado de la unidad. De acuerdo al IS 2974 (Cap.I), el rango de la relacin de frecuencia est dado por la siguiente inecuacin. 1.4 < < 0.5(1.16) Bajoningunacircunstanciasedebeoperaunamquinaalafrecuenciade resonancia. CAPTULO II TIPOS DE CIMENTACIONES PARA EQUIPO DINMICO. 2.1. CLASIFICACIN DE EQUIPO DINMICO Unamquinaesunconjuntodepiezasoelementosmvilesyfijos,cuyo funcionamiento posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energa o realizar un trabajo.Puedenrealizarsediferentesclasificacionesdeequipodinmicodependiendo delaspectobajoelcualselasconsidere.Atendiendoanuestrosinteresessepueden realizar las siguientes clasificaciones:-En funcin de la velocidad de operacin -En funcin de la medicin y evaluacin de vibraciones -Basadas en el criterio de diseo de sus fundaciones 2.1.1.EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE OPERACIN Basadas en sufrecuencia de operacin,lasmquinas pueden ser clasificadas en tres categoras. i.Frecuencias bajas a medias0 500 rpm ii.Frecuencias medias a altas500 1000 rpm iii.Frecuencias muy altas > 1000 rpm Elgrupoi,secomponedegrandesmotoresalternativos,compresoresy ventiladoresdegrantamao.Losmotoresalternativossuelenoperarafrecuenciasque nmeeq =XXXVII van de 50-250 rpm. Para este grupo, las fundaciones de tipo bloque con gran superficie de contacto con el suelo son adoptadas generalmente.El grupo ii, consta de motores alternativos de tamao medio, tales como motores adieselydegas.Fundacionestipobloquedescansandosobreresortesoadecuados camaselsticassongeneralmentesugeridosparaestegrupo,afindemantenerlas frecuencias naturales de la fundacin considerablemente por debajo de la frecuencia de operacin. Elgrupoiii,incluyelosmotoresdecombustininternaagranvelocidad, motoreselctricosyequiposturbogeneradores.Dondesonusadascimentacionesde bloquemacizo.Esdeseablequeexistapococontactoconlasuperficieyadecuada aislacin con camas elsticas, para reducirlasfrecuenciasnaturales. Turbomaquinaria requierefundacionestipoprtico,enlascualesesnecesarioacomodarequipoauxiliar entre las columnas. 2.1.2.EN FUNCIN DE LA MEDICIN Y EVALUACIN DEVIBRACIONES i.Mquinasdemovimientoalternativoconcomponentestantorotativoscomo alternativos (motores a diesel y ciertos tipos de bombas y compresores). En estos casos, la vibracin se mide normalmente en la estructura principal de la mquina a bajas frecuencias ii.Mquinasrotativasconrotoresrgidos(ciertostiposdemotoreselctricos, bombas mono-etapa y bombas de baja velocidad). La vibracin habitualmente se mideenlaestructuraprincipaldelamquina(tapasdecojinetesosoportes) dondelosnivelesdevibracinresultanindicativosdelasfuerzasdeexcitacin generadasenelrotorcomoconsecuenciadedesequilibrios,rozamientos, deformaciones trmicas, vrtices y otros tipos de excitacin. iii.Mquinasrotativasconrotoresflexibles(grandesgeneradoresdeturbinade vapor, bombas multi-etapa y compresores). La mquina puede vibrar de acuerdo con ms de un modo de vibracin segn pasa por una o ms de sus velocidades crticashastaalcanzarlavelocidadcorrespondientealrgimendeservicio.En este tipo de mquinas, la medida de la amplitud de vibracin en un elementode laestructurapuedenoserindicativadelestadovibracionaldelrotor.Por ejemplo,unrotorflexiblepuedeexperimentardesplazamientosenvibracinde gran amplitud que den lugar a un rpido fallo de la mquina, aunque el nivel de vibracinmedidoenlatapadelcojineteresultesermuypequeo.Enestos casos, por tanto, puede resultar esencial medir directamente la vibracin en el eje XXXVIII iv.Mquinasrotativasconrotoressemirgidos(turbinasdevapordebajapresin, compresores deflujo axialyventiladores). En este tipo demquinas, el tipo de rotor flexible que les caracteriza permite que la medida de amplitud de vibracin en la tapa del cojinete resulte indicativa de la vibracin del eje. 2.1.3.BASADAS EN EL CRITERIO DE DISEO DE SUS FUNDACIONES i.Las que producen fuerzas de impactoSellamamquinasdeimpactoaaquellasqueproducenfuerzasdemuycorta duracinencomparacinconlosintervalosalosqueserepiten.Enestasmquinasse puedeconsiderarquelosefectosdeunpulsoyahancesadocuandosepresentael siguiente,porloqueslorequierendelanlisisparaunimpacto.Comoejemplo podemos citar los martillos mecnicos, prensas, taladros, etc. Lasmquinasdeimpactomsimportantessonlosmartillosmecnicos.La accin del martillo sobre el yunque podr ser descrita por la forma del pulso que define la fuerza en el tiempo. La descripcin del pulso se solicitar al fabricante del equipo. ii.Las que producen fuerzas peridicas Dentrodelasmquinasqueproducenfuerzasperidicasseincluyenlas mquinasrotativasylasmquinasalternantes.Lassolicitacionesproducidaspor mquinasrotatoriasdeberncalcularsetomandoencuentaposiblesdesbalanceos debidosaldesgastedepiezasdelamaquinaria.Enlasmquinasalternantesdebern tomarseen cuentalasfuerzas primariay secundaria. Para ambos tipos demquinas,la descripcindelassolicitacionesdebertratarsedeobtenerdirectamentedelfabricante del equipo. Como ejemplo podemos citar los compresores. iii.Maquinaria de velocidad alta Mquinas de alta velocidad, alas que se refiere colectivamente como "turbo-mquinas", pueden ser clasificadas segn su finalidad, de la forma siguiente: a)Los Turbo generadoresque producen energa elctrica b)Turbo compresores rotativos y turbo-ventiladores que entregan aire comprimido u otros gases c)Turbo bombas rotativas Lasturbinasyequiposauxiliarestienen,enlamayoradeloscasos,uneje comnyporlotantolamismavelocidad.Aveces,sinembargo,unengranajede reduccinsehainstaladoentrelaturbinayelequipoauxiliar.Porotraparte,algunos XXXIX engranajesestndiseadosparaincrementarlavelocidad,comoporejemplo,para compresoresconaccionamientoelctrico.Lavelocidaddelamquinamontadasobre un eje comn oscila en general, desde 1500 hasta 1800 rpm. La velocidad de los ventiladoresrotativosy bombas pueden depender de la demanda, variandoentrelmitesbastanteamplios.Losventiladores,porejemplo,puedentener velocidades de 2.000 hasta 4.000 rpm. iv.Otras mquinas miscelneas.Ciertamentelasmquinasqueinducenmuypequeasfuerzasdinmicas,puedenser colocadas directamente sobre el piso sin cimentaciones especiales. 2.2. TIPOS DE CIMENTACIONES. Atendiendo a su rigidez, las estructuras de cimentacin para maquinaria se pueden clasificar en cuatro tipos. 2.2.1.TIPO BLOQUE Consisteenunbloquemacizooconhuecosgeneralmentedehormign reforzado que soporta a la mquina en su parte superior, figura 2.1 Para fines de anlisis puede ser considerado como un cuerpo rgido. Figura 2.1 Cimentacin tipo bloque i.Hiptesisbsicasparaelanlisisdecimentacionestipobloquepara mquinas de impacto Se supondr que el yunque y el bloque son cuerpos rgidos y que el yunque se ha colocadosobreelbloquedetalmaneraqueelcentrodemasasdelconjuntoyunque-bloquesealojasobrelaverticalquepasaporelcentroderigidezverticaldela cimentacin. Se supondr tambin que la cada del martillo es a lo largo de esta vertical, conloquenosepresentarexcentricidadenelchoqueyporlotantonohabr acoplamientodelasvibracionesverticalesconningnotro tipodevibracin.Debern tomarselasprecaucionesnecesariasparaquelamquinaseconstruyarealmente satisfaciendolashiptesisanteriores.Enestascondicionesbastarelanlisisdelas vibraciones verticales. XL Se supondr tambin que el bloque descansa sobre el suelo o sobre pilotes y que, portanto,elapoyoquedarepresentadoporunconjuntoderesortesyamortiguadores equivalentes. ii.Hiptesisbsicasparaelanlisisdecimentacionestipobloquepara mquinas de fuerzas peridicas Se supondr que la mquina y el bloque se encuentran rgidamente unidos. Para modelarunacimentacindeestetipopodraceptarsequeelsistemamquina-bloque formaunsolocuerporgidoyqueelbloquedescansasobreresortesysobre amortiguadoresdetipoviscoso.Sesupondr,adems,queelcentrodemasadel conjuntobloque-mquinasealojasobrelaverticalquecontienealcentroderigidez vertical y horizontal del suelo 2.2.2.TIPO CAJAConsiste en unbloquehueco de hormign armado que soporta alamquina en su parte superior, figura 2.2 Figura 2.2 Cimentacin tipo caja 2.2.3.TIPO MURO Consiste en un par demuros de hormign armado que aloja alamquina en su parte superior, figura 2.3 Figura 2.3 Cimentacin tipo muro 2.2.4.TIPO PRTICO XLI Engeneral,unacimentacindeestetipoestformadaporunapesadalosade cimentacinapoyadaenelterrenooenpilotes,enlacualseapoyanunaseriede columnas. Las columnas estn unidas en sus extremos superiores por vigas transversales ylongitudinalesformandoprticos en ambas direcciones. Sobrelasvigas hay unalosa con huecos que soporta la turbina y el generador. El condensador generalmente va abajo de la turbina, apoyado sobre la losa de cimentacin, figura 2.4 Figura 2.4 Cimentacin tipo prtico 2.3. CIMENTACIN TIPO PRTICO 2.3.1.USOS Las cimentaciones tipo prtico se usan para alojarmquinas de altavelocidad, generalmentellamadas turbo mquinas,las cuales fueron clasificadas en elsubcaptulo 2.1.3 numeral iii, sin duda, de este grupo los ms comunes son los turbogeneradores, en consecuencia se realiza una pequea explicacin de su funcin y tecnologa. i.Funcin y tecnologa de los TurbogeneradoresLosturbogeneradoressonpartefundamentaldeunacentraltermoelctrica,que esunainstalacinempleadaparalageneracindeenergaelctricaapartirdecalor. Este calor puede obtenerse tanto de combustibles fsiles (petrleo, gas natural o carbn) comodelafisinnucleardeluraniouotrocombustiblenuclear,ensuformams clsica,lascentralestermoelctricasconsistenenunacalderaenlaquesequemael combustible para generar calor que se transfiere a unos tubos por donde circula agua, la cualseevapora.Elvaporobtenido,aaltapresinytemperatura,seexpandea continuacinenunaturbinadevapor,cuyomovimientoimpulsaunalternadorque genera la electricidad. Luego el vapor es enfriado en un Condensador donde circula por tubos agua fra de un caudal abierto de un ro o por torre de refrigeracin. Unturbogeneradorconstadeunaturbinayungeneradorelctricoaloscuales, en caso necesario, un condensador es adjuntado, figura 2.5 XLII 728516931112104 Figura 2.5 Disposicin general del equipo de un turbogenerador 1-turbina,2-generador,3-condensador,4-soporte,5-primercojinetedela turbina,6-cojinete central de la turbina, 7-cojinete del generador, 8-encendedor,9-tanquedecombustible,10-salidadelgenerador,11-salidadelcondensador, 12-enfriador de aire circular. Laenergatrmicadevaporgeneradaenlacalderaypasandoporloscanales guasseconvierteenenergacintica,traslocualsedirigealasaspasdelaturbina figura 2.6. El rotor de la turbina, est junto y conectado con el generador, por lo tanto se pone en rotacin y posteriormente genera electricidad. Figura 2.6 Turbina de vapor Elvaporsemueveagranvelocidadatravsdelospasajesformadosporlas aspas seve obligado a cambiar su direccin originaly, almismo tiempo, suvelocidad. As,elimpulso (el producto delamasayvelocidad) delvapor que pasa a travs dela turbinase cambiayeste cambio ejerce un empuje enlosimpulsores que se establecen enlarotacin.Mientrasqueenlosmotoresalternativosdevapor,laconversindel calor en trabajo se realiza en una etapa (el vapor dirigido hacia el cilindro de la mquina devaporimpulsaelpistnyeltrabajodirectosehace),Lasturbinasconviertenla XLIII energatrmicaentrabajoenvariasetapas.Afindegarantizarunaconversin econmicadelaenergatrmicadevapor,seusaunaseriedeaspas.Cadaparte contiene todos los elementos estructurales necesarios para transformar energa calorfica enenergacinticaylaenergacinticaentrabajomecnico.Loselementos estructuralesporelcuallaenergacalorficaseconvierteenenergacinticase denominan canales de gua, mientras que los elementos por el cual la energa cintica se transforma en trabajo mecnico son los conjuntos de aspas. Ambos grupos de elementos en conjunto, constituyen una etapa.Lasturbinasdiseadasparaconvertirlaenergacalorficaenenergacintica slo en el canal de gua son las turbinas accin. Si el proceso anterior se lleva a cabo en parteenelcanaldeguayenparteenlasaspas,laturbinasellamaunaturbinade reaccin. La forma del canal gua fue desarrollada primero por Laval en 1883. As,enlaturbinadeaccinlarotacindelasaspasconviertesololaenerga cinticaeneltrabajo,peroningncambioseproduceenlapresinyelvolumendel vapor.Enunaturbinadereaccinelvaporsesometeaciertoscambiosenloscanales gua, como consecuencia de la expansin. Las turbinas devapor se dividen en tres tipos: a contrapresin, a extraccinya condensacin. Enlasturbinasdecontrapresinlaprincipalcaractersticaesque,elvapor cuandosaledelaturbina,seenvadirectamentealprocesosinnecesidaddeun condensador y de un equipo perifrico, como son torres de enfriamiento. En la turbina de extraccin/condensacin, una parte del vapor puede extraerse en unoovariospuntosdelaturbinaantesdelasalidaalcondensador,obteniendoas, vapor a proceso a varias presiones,mientras que el resto delvapor se expande hastala salida al condensador a una presin, generalmente, inferior a la presin atmosfrica. Conefectodeilustrarelespaciorequerido,semuestralasdimensiones principales, tpicas de los equipos de turbogeneradores, dependiendo de su capacidad. Los equipos de generacin de 1 a 50MW de capacidad, son usualmente de 8a 20 m de longitud. Los equipos de 100 a 150 MWtienen una longitud alrededor de 25 a 30 m. El ancho requerido vara entre 3 a 6 m, el tope generalmente es 7 m. La distanciavertical desdelabasehasta el tope, paraturbinas dehasta 25 MW de capacidad, es de alrededor de 4.5 a 7metros. Para capacidadesms altas este valor puede ser incrementado a 10 m Para el diseo, un espacio sin obstruir de cerca de 3 a 5 m debe siempre dejarse en el lado del generador para la retirar y dar mantenimiento a la bobina.2.3.2.VENTAJAS XLIV Losturbogeneradorespuedenarreglarsemsconvenientementeenuna cimentacinestructuradaconprticosqueenlasotrascimentacionesaqu mencionadas, debido a que se encuentran las siguientes ventajas. i.El ahorro de espacio y de materiales ii.Conunaestructuratipoprtico,sepuedelograrunarregloestructuralms econmico debido a que el diseoylocalizacinde sus elementos, columnasy vigas, pueden siempre ser ajustadas a las cargas actuantes. iii.Lalocalizacindeloscondensadores,redesdetuberas,lumbreras,alumbrado elctrico puede llevarse a cabo fcilmente a travs de la propia estructura. iv.Permite el acceso e inspeccin a las diversas partes de la mquina. v.Facilita el servicio y mantenimiento del equipo. vi.Enrelacinconelcomportamientoestructural,resultaqueloshundimientos diferencialesenlascimentacionesmasivas,debidoasuextremadarigidezala flexin,frecuentementedanlugaraagrietamientosquenosonusualesenuna cimentacindemarcoscorrectamentereforzada.(Paraunciertohundimiento diferencial,eldaoesmayormientrasmsgrandeeslarigidezdeuna estructura) vii.El efecto de los asentamientos producidos por la sobrecarga, se disminuye en las cimentacionesestructuradas,comoconsecuenciadelmenorpesodela cimentacinyporlacompensacinparcialimplcitaenlaexcavacinquese realiza para localizarla. viii.En las cimentaciones tipo prtico puede realizarse un anlisis ms exacto. 2.3.3.TIPOS DE CIMENTACIONES TIPO PRTICO Los tipos ms comunes de cimentaciones tipo prtico deben analizarse junto con sus turbo-mquinas ya que estn en funcin de estas.Para conocerlas caractersticas delas cimentacionesylos datos de salida dela turbina,sepuedeutilizarelsistemadenotacionesutilizadoenlaURSS,queesel siguiente: -La primera letra del smbolo denota la presin de vaporH = presin altaM = presin media L = presin baja (a base de vapor de escape) -La siguiente letra indica el tipo de turbina C = turbina condensadora o sin escape libreH = turbina de extraccin para fines de calefaccinXLV I = turbina de extraccin para fines industrialesB = turbina de contra presin -Losnmerosdenotanlacapacidaddelaturbinapor1000kW. Por ejemplo 25 = 25,000 kW -Eltipodecimentacinserepresentadespusdelascifrasporlasletras siguientes R = cimentacin plana (balsa o poco profunda)B = cimentacin tipo bloqueW = cimentacin tipo muro F = cimentacin tipo prtico -Los materiales utilizados parala construccinde la cimentacin, se denota por las letras siguientes:Co = hormignRc = hormign armadoSt = aceroBr = ladrillo Porejemplo,MC-25-FRCdenotaunapresinmedia,turbinacondensadorade 25,000 kW de capacidad, con la cimentacin tipo prtico de hormign armado. Para los conjuntos de mquinas combinadas, los elementos individuales de la combinacin sern mencionados.(Nosedaindicacinenloscasosenquealgunosdelosdatosdela turbina no estn disponibles).Cuando se habla de los tipos estructurales de cimentaciones de turbo-generador, debemostratarconlasfundacionesqueconstandeestructuradeaceroylasque comprenden una combinacin de acero y hormign armado. La parte subterrnea de los dos tipos son generalmente hechas de hormign armado. Los marcos de acero tienen las siguientes ventajas: -La estructura puede ser armadaen el taller, entoncesel tiempo demontajey el tiempodeconstruccinsepuedenreducirconello.Estaventajapuedeser utilizadainclusomejorsienlaplantadefabricacindelasturbinasfueran fabricadosloselementosdeaceroparalafundacinyasentregarlosconlas mquinas. -Losprticosdeacerosondedimensionesmnimas,porlotantoelespacio disponible para los equipos mecnicos es mayor -Por ltimo, la estructura de acero si es necesario se puede modificar fcilmente, reconstruir o reforzar. XLVI -Lafrecuencianaturalsepuededeterminarconungradobastantealtode precisin,elmdulodeelasticidadesconstanteylascondicionesdefijacin conocidas.-Las frecuencias naturales (incluso los armnicos primero) son ms bajos- tanto enlosplanoshorizontalyvertical-quelavelocidaddelamquina,loque significaquetodalaestructura,sermsflexibleydepequeamasa.Seexige que el clculo de la frecuencia natural sea muy preciso, y debe incluir no slo las vibraciones de base, los armnicos tambin.Referente a las desventajas de los marcos de acero tenemos: -Encuantoalasvibraciones,lasestructurasdeaceronosecomparanmuy favorablemente con las de hormign armado. Sin duda, un peligro creciente con estructuras de acero, es la resonancia y este es uno de los problemas vitales que enfrenta el ingeniero de diseo. -Otradesventajadeestasfundacionesessucrecientedemandadeacero,en comparacinconcimientosdehormignreforzado.Losmaterialesnose encuentrancomnmenteenelmercadolocal,losperfilesautilizarsedebenser importados, consecuente estas estructuras son ms costosas que las de hormign armado. -Aunquelaresistenciaalfuegodelaestructuradeaceroesmenorqueladel hormign armado, esto no debe ser considerado como una desventaja, ya que en condicionesnormalesdeoperacin,elrpidoequilibriodeldiferencialde temperaturayunadistribucinuniformedelatemperaturaprcticamente eliminan la posibilidad de acumulacin de esfuerzos en la estructura.-Debeconsiderarsetambinqueelrepetidoefectodelosesfuerzosdinmicos puede sermuchomsnocivo paralosmaterialesque el de un esfuerzo esttico aplicado de manera continua. -Este es elfenmeno de fatiga que puede conducir, por ejemplo en el caso de el acero,aunaroturadespusdealgunosmillonesdeciclos,aunqueelesfuerzo por ciclo sea netamente inferior al lmite elstico. As, pues, en el caso de cimentaciones para turbogeneradores de gran capacidad deberutilizarsesiempreelhormignarmado,queposeeunagranresistenciaala flexin y da garantas contra la rotura. A continuacin se presenta los tipos ms frecuentemente utilizados:i.Tipo 1 XLVII Estaesunadelasformasmssimplesdelasfundacionestipoprtico.El condensadorseerigeensentidotransversalyslolosdosparesdecolumnaslaterales no tienen conexin de vigas transversales. Las conexiones intermedias se consiguen por mediodemurostransversales.Laplataformaenvoladizoaumentalarigidezdela construccinenunadireccinhorizontal.Elconjuntoesde6,000kW=6MWde capacidad a una velocidad de 3,000 rpm Figura 2.7 Turbogenerador con cimentacin tipo prtico, 6,000kW = 6MW de capacidad ii.Tipo 27.74.01.711.4I - I7.74.0I IIII - III IIXLVIII Una cimentacin para un turbo-generador de capacidad de 24,000 kW = 24 MW. Amboscondensadoresdispuestostransversalmenteseencuentranentrelosprticosde lafundacin.Tenergrandeslucesrequieredevigasmuyaltas,dejandomenosespacio alrededor de los prticos para los condensadores. Nada especial de la cmara de aire de refrigeracin se ha proporcionado. Figura 2.8 Turbogenerador con cimentacin tipo prtico, 24,000kW = 24 MW de capacidad iii.Tipo 3Este turbo-generador de 50,000 kW = 50 MW se apoya en tres prticos. Entre la turbina y el generador se ha proporcionado un muro rgido de separacin. Que tambin 6.O1.21.618.0I - I1.8 2.4 1.8I III II II - IIXLIX aumentalarigidezenladireccinhorizontal.Unodelosprticoslateralestieneun arreglo de pisos. (Tipo MC-50-FRC)

Figura 2.9 Turbogenerador con cimentacin tipo prtico, 50,000kW = 50 MW de capacidad iv.Tipo 4Estamuestralafundacindeunturbogeneradordealtapresinde 100,000kW=100MW.Lossoportesdelmurosonperpendicularesalejedela mquina. La parte de la cimentacin que soporta el generador es un prtico de hormign armado.Laspartessituadaspordebajodeladelaturbinayelgeneradorestn conectados con vigas longitudinales por encima de los condensadores. Este arreglo, sin I - I17.53.39.0III IIIII - II11.0L embargo,noharesultadosatisfactorioporqueestasvigasnopuedenhacerselo suficientementergidasparalosequiposmecnicos.Losvoladizosextensossonpoco comunes y tambin una desventaja. (HC-100-WFRc) Figura 2.10 Turbogenerador con cimentacin de muro y prticos, 100,000kW = 100 MW de capacidad v.Tipo 5Estaesunaestructuratipoprticoconelementosdeacero,ademssele proporcionaunalosadehormignreforzado,conelfindeaumentarelpesodela IIIIIIII - III - I27.54.08.01.8 7.4II - III - ILI fundacin de este turbo-generador de 30,000 kW = 30 MW. Figura 2.11 Cimentacin combinada (losa de hormign armado y estructura de acero) , Turbogenerador 30,000kW = 30 MW de capacidad

CAPTULO III ANLISIS Y DISEO DE CIMENTACIONES TIPO PRTICO 3.1DATOS DE DISEO 3.1.1.DATOS DE LA MQUINA i.Diagramadimensionalydelocalizacindeequiposaccesorios. Diagramasdelareddetuberas,canales,ranuras,aberturas,anclajes, placas, etc. ii.Diagrama de las plantas de condensacin y piso del turbo sistema.iii.Diagramasdelocalizacinymagnituddelascargasestticasy dinmicassobrelacimentacin.Verdiagramatpicodecargasenla figura 3.1iv.Potencia y velocidades de la mquina.III IIIII III I13.03.23.03.08.0III - IIILII Figura 3.1 Diagrama de Cargas para una Fundacin de Turbogenerador (a) Planta (b) Elevacin (1,2,3) Peso debido al Cilindro, Rotor de la Turbina y Placas Base,(3,4)Peso debido al Cilindro, Placas de Apoyo y Rotor del Generador (5)Carga debido a la Baja Presin dentro del Condensador (6)Carga debida al Estator del Generador, Refrigeradores de Gas, Escudos y Placas Base (7)Carga debida al Excitador y Placas Base (8)Carga Horizontal en la Direccin Longitudinal (9)Cargas Varias debido a la Plataforma al lado del Equipo Turbogenerador,Vlvulas de Parada de Emergencia, Tanque de Combustible, etc. (10) Cargas debido al Par de Corto Circuito 3.1.2.DATOS DEL SUELO 9 99 9 99 9 99 98 8236 10 66 10 64 7 77 7(a)CLCL8 8DE LA TURBINA DEL GENERADOR12 3 45 5610(b)LIII i.Perfil del sueloylas caractersticas del suelo hasta por lomenos tres veces elanchodelafundacindelaturbinaohastalosestratosdondelos esfuerzos sean representativos. ii.Las posiciones relativas del nivel fretico en las diferentes estaciones. 3.2. CONSIDERACIONES ESPECIALES AL PROYECTAR Alproyectarlacimentacindeunturbogenerador,debentenersepresenteslas consideraciones siguientes: i.La cimentacin tipo prticoconsiste, generalmente, en 3 o msprticos rgidosapoyadosenunalosadecimentacingruesa.Losprticos rgidosestnfijosendireccinperpendicularasuplano,atravsde vigaslongitudinalesy de laplataforma superior,como se muestra en la figura 3.2 ii.Paraevitarlatrasmisindelasvibraciones,lacimentacindebesepararsetotalmentedeledificioprincipalydeotrascimentacionesadyacentes,por medio de una hendidura libre que la rodee completamente. Figura 3.2 Tpica Cimentacin tipo Prtico 123(1) Losa Inferior(2) Columnas(3) Losa SuperiorLIV iii.Con objeto de garantizar la continuidad de las juntas entre vigas y columnas ydeevitarconcentracionesdeesfuerzos,serecomiendaquedichasjuntas seanacarteladas,ademsestoproporcionamayorrigidezalaplataforma superior y a las vigas mismo. iv.Enloposible,debeevitarseconstruirsalientesenvoladizo,y,cuandoesto seainevitable,elvoladizodebetenersuficienterigidezcontralas vibraciones. v.Lasvigasenvoladizo,delaplataformadelturbogenerador,deben disearseconlamayorrigidezposible(confrecuenciasnaturales superioresalasdelamquina)paraevitaragrietamientos.Usualmente es adecuado ligar los extremos de los voladizos con una viga perifrica.vi.Lalosadecimentacindebeserlosuficientementergidaparaevitar hundimientos diferenciales. Se recomienda que el espesor efectivo de la losa de cimentacin no sea menor que un dcimo de su longitud, ni que la menor dimensin de las columnas. Tambin se recomienda que el peso de dicha lo-sano seamenor que el peso total delamquinams el peso dela cimenta-cin, sin contar el de la losa de cimentacin.Tabla 3.1 Espesores recomendados de losas de cimentacindirectamente apoyadas sobre suelo Potencia(MW)Espesor hasta 6 0.6 - 0.8 6 - 120.8 a 1.2 12 - 251.2 a 1.6 251.6 (Datos, Ing. Marcelo Guerra A.) vii.Lageometrageneraldelaestructuradecimentacin,lasseccionesde largueros, prticos, refuerzos, etc., deben preferiblemente ser simtricos respecto al plano vertical que pasa por el eje de la mquina.viii.Debetratarsequelosprticostransversalesquedensituadosdirectamente abajo de los apoyos de la maquinaria. ix.Elplanodelosprticosdebeserperpendicularalejederotacindela mquina.x.Hastadondeseaposible,seprocurarquelaresultantedelpesodela LV mquina y de la cimentacin pase por el centroide del rea de contacto con el suelo. xi.Debenevitarse,enloposible,excentricidadesenlascargassobrevigas longitudinalesyvigastransversales,paraevitartorsiones.Lascargas deben quedar aplicadas en el eje que pasa por el centro de gravedad de la seccintransversaldelasvigas.Laseccintransversal.debeser preferentemente rectangular o T.xii.Lossoportesycojinetesdelosturbogeneradoresydelasmquinas elctricasdebenestarperfectamenteajustados.Lasflechasde transmisin deben estar estrictamente horizontales.xiii.La presin del suelo en la losa de cimentacinpuedeobtenerse bajo las condicionesmsdesfavorablesdecargaesttica(nohaynecesidadde analizaraccionesdinmicasenelsuelo).Encasosextremospodr reducirseligeramentelapresinadmisibledelsuelo(nomsde20%), como se menciona en el subcaptulo 1.7.1 numeral iii. xiv.Debe evitarse, en lo posible, la distribucin no uniforme de esfuerzos en lacimentacin;porejemplo,deberalejarseestacimentacindeladel edificio.xv.Enplantasdevaporatemperaturaelevada,debeproporcionarse aislamiento trmico a los pasos de tuberasdevapor o airecaliente. No es conveniente alojarlas dentro de la cimentacin. 3.3. CRITERIOS PRINCIPALES DE DISEO Desdeelpuntodevistadelasvibraciones,lafrecuencianaturaldelconjunto mquina-cimentacin-suelo,debeestaralejadadelavelocidaddeoperacindela mquina, as como tambin delavelocidad crtica del rotor.Unmargen de separacin de al menos el 20 por ciento debe ser garantizado en el diseo. Lasamplitudesdevibracindebenestardentrodeloslmitespermisibles.Loslmites admisibles especificados en el nivel de apoyo de la mquina, pueden observarse en la tabla 1.1 de este manual. El clculo esttico debe llevarse a cabo por separado para cada caso de carga,la carga muerta, dinmica (o esttica equivalente) fuerzas en sentido vertical u horizontal, LVI fuerza conocida como par de corto circuito, y las fuerzas debido a efectos trmicos y de contraccin. Los momentos de flexin obtenidos para la combinacin ms desfavorable deestoscasosdecargadebeserconsideradoparaeldiseo.Elefectodelasfuerzas dinmicasverticalesyhorizontalesnosedebenadicionar,yaquenoseproducende forma simultnea. El esfuerzo del suelo debajo delalosa debasedelafundacinno debe superar lapresinadmisibleenelsuelo.Paraelclculodelacargatotalenelsuelo,slola mitaddelafuerzadinmicaverticalesnecesarioconsiderar.Cuandoactancargas ssmicas ms cargas estticas, la presin admisible del suelo puede incrementarse hasta un 33%.Losmomentosdetorsinenlasvigasdelosprticos,causadaporunacarga excntrica de la mquina ha de tenerse en cuenta en el diseo estructural. 3.4. ANLISIS DINMICO Paraelanlisisdinmicodelasfundacionestipoprtico,tressonlosmtodos disponiblesenlaactualidad,el"mtododeresonancia",elaboradoporRauschen Alemania,el"mtododeamplitud",propuestoporBarkanenlaURSSyel"mtodo combinado",propuestoporMajorenHungra.Sedescribeacontinuacinestostres mtodos, junto a sus ventajas y desventajas relativas.Segn elmtodo de resonancia, el requisito principal es quelaFundacin debe estar"fueradesintona"conlamquina.Estosignificaquelafrecuencianaturaldela fundacin debe diferiren almenos el 20 por ciento de lavelocidad defuncionamiento de la mquina.Se ha comprobado posteriormente que el mtodo de resonancia no es completo en s mismo y que sufre de muchas desventajas, algunas de las cuales se explican a continuacin. i.Lacomprobacindelaresonancianoesgarantadediseoadecuado,por ejemplo,silafrecuencianaturaldelafundacinesconsiderablemente inferioralavelocidaddefuncionamiento(esdecir,silafundacinesten bajasintona).Observacionesrealeshandemostradoqueenelcasodelas fundacionesenbajasintona,apesardequelafrecuencianaturalestbien lejos de la velocidad de funcionamiento (lo que significa que las condiciones deresonanciaestaransatisfechas)vibracinexcesivasiguesiendonotada cadavezquelavelocidaddelamquinapasaatravsdelvalordela frecuencia natural, durante las fases de aceleracin y desaceleracin. LVII ii.Tambinsehaencontradoenalgunoscasosque,aunquelafrecuencia naturaldelafundacinestcercadelavelocidaddefuncionamientodela mquina(loquesignificaquetericamenteexisteunaposibilidadde resonancia), no se han causado daos en la fundacin. En tales casos, aunque laresonanciapodrahaberocurrido,lasamplitudesresultantessontan pequeas que no daan la estructura. iii.Para el anlisis de frecuencias, se sugiere un sistema simple de masa-resorte. Esta es una simplificacin excesiva del sistema real. La objecin de base al mtodo de resonancia es que no predice la extensin del dao a la fundacin, ya que se omite la determinacin de las amplitudes. Estohaconducidoalaadopcindelmtododelaamplituddesarrolladopor Barkan. Segn este mtodo, el requisito fundamental es que la amplitud de la fundacin bajolasvibracionesforzadasnodeberaexcederunvaloradmisibledeterminado.Con base en diversas investigaciones, las diferentes amplitudes admisibles se presentan para diferentes mquinas. El mtodo se basa en un sistema con dos grados de libertad, que es unamejoraevidentesobreelmtododeresonancia.Elmtodo,sinembargo,dejade ladoelhechodelaumentodelasamplitudesdurantelasfasesdeaceleraciny deceleracin (en elcaso delasfundaciones enbajasintona). Las observaciones reales mostraron que las amplitudes calculadas por este mtodo son inferiores a las realmente medidas en fundaciones de baja sintona. Dehecho,elmtododeresonanciayelmtododeamplitud,son complementarios. Esto dio lugar al tercer mtodo, conocido como "mtodo combinado", tambin llamado el"mtodo de resonancia extendido". Segn este mtodo, mientras se investiga la posibilidad de resonancia, la amplitud tambin debe ser determinada. En el casodefundacionesenbajasintona,losefectosmximosdinmicosqueseproducen durante las fases de aceleracin y de desaceleracin tambin se consideran en el diseo.Todoslosmtodosmencionadosanteriormenteindicanque,paraefectosde anlisisdinmico,cadaprticotransversaldelafundacinpuedeserconsideradode formaindependiente.Sehacomprobadoapartirdeobservacionesprcticasqueenla gamaderesonancia,laprimerafrecuencianaturalesampliayestaseestrecha gradualmentehaciaabajoparalasegundaymayoresfrecuenciasdesolicitud.Esto condujo a la creencia de que la resonancia peligrosa en altas frecuencias es remota y que slolafrecuencianaturalfundamentalpuedeserconsideradaparaelcontroldela aparicin de la resonancia y para la determinacin de las amplitudes.Se supone que los grados de libertad de la cimentacin son tres movimientos de la losa superior: un desplazamiento vertical, un desplazamiento horizontal perpendicular al eje de la maquinaria y un giro en el plano horizontal respecto a una vertical que pasa porelcentrodemasadelalosasuperior.Eldesplazamientohorizontalyelgirose consideran acoplados, el desplazamiento vertical se considera independiente.LVIII Unresumendelasdistintasetapasdeclculobasadoenlostresmtodos mencionados anteriormente, se presenta a continuacin: 3.4.1.MTODO DE LA RESONANCIA i.Determinacin de las Frecuencias naturales Lafrecuencianaturalenladireccinverticaleselpromediodelasfrecuencias individualesdelosprticostransversales.Paraelclculodelasfrecuenciasnaturales verticaldelosprticostransversales,elpesopropioyelpesoimpuestoenlasvigas longitudinalesseconsiderancomocargasconcentradasenlascolumnas,comose muestra en la figura 3.3 (a). Para las frecuencias horizontales, la losa de fondo se supone queesinfinitamentergida.Enamboscasos,unsistemadeungradodelibertadse asume para el anlisis.Como control adicional, la frecuencia vertical tambin puede ser calculada sobre labasedeunsistemadedosgradosdelibertadconelsuelobajolalosainferior, actuando en calidad de un resorte elstico, como se muestra en la figura 3.4. (a)(b) Figura 3.3 Sistema modelo para un prtico transversal (Mtodo de la Resonancia y Mtodo Combinado) m=P+Q+2NKN NPQLIX Figura 3.4 Sistema acoplado para vibraciones verticales (1) Losa superior, (2) Prtico, (3) Losa inferior, (4) Suelo a)Frecuencia Vertical La frecuencia natural vertical se obtiene como unpromedio de las frecuen-cias verticales de los prticos transversales considerados en forma aislada. fv= fini =1n (3.1) Donde: fvfrecuencia natural vertical del sistema (rad/seg) fifrecuencia natural vertical del prtico transversal i (rad/seg) nnmero de prticos transversales La frecuencia se obtiene asumiendo un sistema de un grado de libertad

=

(1.6) Donde: n frecuencia natural del sistema Krigidez del sistema mmasa del sistema =

(3.2) KzKvmlmu1243LX

=

(3.3) Donde: Wpeso del sistema gaceleracin de la gravedad st desplazamiento esttico Sustituyendo (3.2) y (3.3) en (1.6) se puede deducir que

=

Entonces la frecuencia vertical en el prtico transversal se expresa como

=

(3.4) Donde: v desplazamiento esttico en el centro del claro = 1 + 2 + 3 + 4 Los valores de 1, 2, 3 y 4 se obtienen de la siguiente manera: 1: deflexin debido a la carga concentrada (P)

1=

396

2+1+2 (3.5) 2: deflexin debido a la carga uniformemente distribuida (Q=P*l)

2=

3384

5+2+2(3.6) 3: deflexin debido al corte

3=35

+

2(3.7) LXI 4: compresin de la columna debido a la carga axial

4=

++2 (3.8) En las expresiones anteriores: Ppeso de la maquinaria que carga la viga i qpeso propio por unidad de longitud de la viga transversal llongitud efectiva de la viga del prtico i Emdulo de elasticidad del material del prtico i Ibmomento de inercia centroidal de la seccin transversal de la viga del prtico i Icmomentodeinerciacentroidaldelaseccintrasversaldelas columnas del prtico i. haltura efectiva de las columnas del prtico i Qpeso de la estructura del prtico y cimentacin que carga laviga del prtico i Abrea de la seccin transversal de cada viga del prtico i Ncargaquetransmitenlasvigaslongitudinalesacadacolumnadel prtico i.ACrea de la seccin trasversal de cada columna del prtico i. Krelacin de rigidez =IbIChl (3.9) b)Frecuencia Horizontal Asumiendo un sistema de un grado de libertad

= 30

1+2+ ..+

(3.10) Donde: Wpeso total de la mquina y de la mesa superior (t) Kh1, Kh2,rigidez horizontal de cada prtico transversal (t/m) LXII Larigidezhorizontaldelprticoidesatendiendolajuntaderotacin,viene dada por:

= 12

3

6+13+2(3.11) ii.Fuerzas Dinmicas DeacuerdoalDIN4024c4-7,elcualestbasadoenelmtododelaresonancia, menciona que la fuerza dinmica (F), ( la esttica equivalente), en una cimentacin de una mquina giratoria, operando a velocidad m (en rpm) est dada por: = 1.5

2

21

3000(3.12) Donde: es la relacin de la frecuencia natural (n) con la frecuencia de operacin de la mquina (m)Res el peso del rotor El valor de F, est limitado por el siguiente valor mximo:

= 15

3000 (3.13) ElDIN4024c4-7sugiereademsqueseadopteun10%msparavalores desfavorablesde,conelobjetodeobtenerfuerzasdinmicasmsgrandes.Para cimentacionesenbajasintona(1) un 10% menos debe ser considerado, es decir 0.9n 3.4.2.MTODO DE LA AMPLITUD Como en elmtodo de la resonancia, el anlisis delasvibracioneses orientado paracadaprticotransversalindependientemente.Sinembargoparaelclculodela KK2z1m2mz2K2m12m12K12K12m1m21z2z1LXIII frecuencia vertical y horizontal, se adopta un sistema de dos grados de libertad, como el mostradoenlafigura3.5.Elcriterioprincipalparaeldiseoesquelaamplitud producida por la vibracin, se encuentre entre de los lmites permisibles. (a)(b) Figura 3.5 Modelo del Sistema para Vibraciones Verticales (Mtodo de la Amplitud) i.Fuerzas Desbalanceantes Tericamente,lasmquinaselctricasyturbogeneradoresestndinmicamente balanceados. En la realidad existe siempre desbalanceo, en virtud de que los centros de masadelaspartesenrotacinnocoincidenconelejederotacin.Estedesbalanceo produce vibraciones sobre los prticos de la cimentacin. La magnitud de las fuerzas excitadoras es proporcional a:-La excentricidad de las partes rotatorias -La magnitud de las masas-El cuadrado de la frecuencia de rotacin de la mquina.

=

2 (3.14) Donde: eexcentricidad del rotorR peso del rotorm velocidad angular o frecuencia de rotacin. Debidoalaexistenciaactualdedatossobredesbalanceodinmico,esposible establecervaloresdediseodelasfuerzasexcitadoras.Puedeprescindirsedeldiseo acostumbrado, con cargas estticas "equivalentes". La excitacin sobre la estructura puede descomponerse en una fuerza centrfuga Pdebidaalaexcentricidaddelaspartesrotatoriasrespectoaleje,yaunmomento excitadorM producido por lano coincidencia delplano vertical, transversalaleje, que contienealafuerzaPyelplanoverticalquepasaporelcentrodemasasdela LXIV PmlsPlano que pasapor el centro demasas de lainstalacincompletaPlano en el que actuala resultante P de lasfuerzas excitadorasCimentacinTipo prticoinstalacin completa (figura 3.6). Figura 3.6 Fuerza Excitadora Debida al Desbalanceo Dinmico De las consideraciones anteriores se tiene: =

(3.15) Donde:Mmomento excitador total ls = eexcentricidad, distancia entre el centro de masas de la instalacin completa y el plano en el que acta la fuerza resultante P de las fuerzas excitadoras Como P es una fuerza de inercia, girar ala misma velocidad de rotacin m de lamquina. Sus componentes horizontal y vertical estn dadas por: Componente vertical:

=

() (3.16) Componente horizontal:

=

()(3.17) Descomponiendo el momento excitador en un plano vertical y uno horizontal, se ha podido observar que las amplitudes de vibracin debidas al momento excitador en un eLXV planovertical,sonpocoimportantes.Elmomentoexcitadorconqueseanalizala cimentacin es:

=

(3.18) Los datos requeridos enelclculo dePv, Ph.y M son todos conocidos, excepto laexcentricidade.Losvaloresdeestapuedenasumirsedirectamentedelasiguiente tabla. Tabla 3.2 Excentricidad del rotor en funcin de su velocidad Velocidad de operacinExcentricidad ( e ) 3000 rpm0.05 mm 1500 rpm0.2 mm 750 rpm0.35 a 0.8 mm Tambinesposibledeterminarlaexcentricidadatravsdelasamplitudesde vibracin medidas antes y despus del balanceo dinmico. SupngasequeantesdelbalanceodinmicosetieneunafuerzacentrfugaPo quecausaamplitudesa0.Elbalanceodinmicoimplicalaadicindeunamasaauna ciertadistanciadelejederotacin.Supngasequeestamasaproduceunafuerza centrfuga P y que como resultado del balanceo, las amplitudes se reducen a "". En este proceso se conocen P, a0 y a, de las cuales, por una simple proporcin, puede obtenerse Po:

0=

0

0(3.19) Por otro lado

=

2 LXVI de donde =

0

2 Acontinuacinsepresentaunejemplodeaplicacinparadeterminarla excentricidad para la mquina 1, de la tabla 3.3 se tiene los siguientes datos:

0= 0.16 , = 0.035 , = 1.86 entonces

0=0.160.16 0.0351.86 = 2.38 como = 1 500 , = 12 000 se tendr =

2=

0 (260)2=2380 9800120006.28 150060

2= 0.086 Tabla 3.3 Balanceo de Rotores de Mquinas a 1,500 rpm Mquinas a 1,500 rpm No. Potencia Peso rotor Amplitud de vibracin PPoe kWt ao (mm)a(mm)tt mm 15,00012.00.1600.0351.862.380.086 23,0005.00.0750.0420.430.970.085 33,0005.00.1250.0230.921.120.097 43,0005.00.1250.0250.760.950.082 53,0005.00.0920.0270.300.430.038 63,0005.00.6000.0581.231.360.118 73,0006.00.0620.0260.520.800.070 850,00070.00.2600.01711.4112.200.076 950,00070.00.3500.03023.5025.800.160 1050,00070.00.4300.03525.4027.300.170 1150,00037.50.150 0.0583.976.500.075 LXVII Tabla 3.4 Balanceo de Rotores de Mquinas a 3,000 rpm Mquinas a 3,000 rpm No. Potencia Peso rotor Amplitud de vibracin PPoe kWt ao (mm)a(mm)tt mm 1217,50018.30.0870.0661.044.300.025 1316,00018.00.1570.0601.772.870.017 1416,0007.00.1330.0561.642.840.045 1516,00018.00.1700.0422.363.100.019 1616,00018.00.1400.0258.25100.060 1725,00020.00.1700.0585.107.750.042 1825,00017.50.1200.0403.024.530.029 196,0007.20.1800.0302.182.620.040 206,0007.20.1250.0211.001.200.018 Notas sobre las Tablas 3.3 y 3.4: 1.Los datos de la tabla se refieren a balanceo efectuado en condiciones desfavorables (los valores