Diseño de bases para bombas y motores. La correcta cimentación de los equipos, cualesquiera que sea es uno aspectos fundamentales para la operación eficiente de los mismos. El cimiento o base, como generalmente lo llaman, de un equipo, no es más que una estructura sólida de hormigón, lo suficientemente pesada para qu e proporcione un soporte rígido permanente a toda el área de la base o asiento de este, además de absorber cualquier esfuerzo, imprevisto o vibraciones normales.
Factores que afectan las características de la cimentación. El cimiento que generalmente se usa, sobre todo en casos donde el silencio no es necesario, casi sin excepción, es un bloque de concreto en la proporción debida con respecto al tamaño del motor, correctamente nivelado y anclado para resistir el funci onamiento continuo dicho motor. Las proporciones de estos cimientos dependen, en gran parte de la clase de m otor, su velocidad, las propiedades de la superficie o suelo en donde se ha de construir el cimiento y el método empleado para transmitir la fuerza. Con relación a las bases para bombas tenemos que tratándose de bombas centrífugas horizontales, vienen montadas o se montan en un cha sis con el motor, por lo que al hacer el caculo de la base para el motor debe incluirse también el peso de la bomba, es decir, en este caso la base del motor y la bomba es una misma. Ahora bien si se tratase de una bomba vertical, su base base será individual debiéndose tener en cuenta, además de las propiedades del terreno, el peso de la columna cuando ésta se encuentra llene de líquido que bombeará. Cimentación sobre rocas. Si el suelo donde va a ser construido el cimiento es de roca monolítica o sólida deber tenerse en cuenta las siguientes cuestiones: 1) La parte superior del cimiento debe quedar tan baja como sea posible con el objeto de facilitar el trabajo sobre el motor, por lo que l a excavación deberá hacerse lo suficientemente profunda. 2) Es importante que el suelo no n o tenga secciones de tierra, pues si así fuera, con el tiempo quedaría disparejo y el cimiento descansaría esto se debe a que la humedad, h umedad, la vibración y otras causas, hacen que la tierra cambie de posición. Para funcionar correctamente, todos los motores requieren un sostén perfectamente nivelado, tanto en el sentido l ongitudinal, como en el transversal. Este nivel se debe conservar durante la vida útil del motor.
Cimentación en tierra. En la siguiente figura se ilustra una instalación sobre terreno firme, es muy parecida la que se muestra en la figura anterior, pero difiere de a quella en que su cimiento es mucho más grande. Existe una gran variedad de cimientos de este tipo, pero el objetivo principal de ésta imagen es
mostrar el volumen mayor del hormigón.
Cimiento sobre suelo blando. Los cimientos para este tipo de suelos pueden utilizarse con dos variantes: a) Cimientos flotantes: Esta variante no es mas que la construcción de los cimientos con un pié de base lo suficientemente grande con el objeto de cubrir la mayor superficie que permita disminuir la presión por unidad de área.
Esta variante es superior a la anterior, ya que en ella se logra un sostén mas sólido. Los pilotes generalmente tienen dimensiones de 150 mm de diámetro para redondos y de 150 x 150 mm en cuadrados o más; se deben introducir a la mayor profundidad posible y su número debe ser suficiente para resistir y compartir el peso del cimentó debidamente. Pueden utilizarse de concreto o de madera. Su inconveniente consiste en que deben util izarse medios auxiliares que permitan empotrarlos en
el suelo antes de fundir la base
Replanteo. Antes de realizar los trabajos se colocan las estacas que servirán de guía para realizar las excavaciones y posteriormente la nivelación y alineación de los cofres y plantillas tanto del motor como de la bomba. Las estacas se colocarán lo suficientemente alejadas para que no sean derribadas ni cubiertas por los trabajos de excavación. Para ubicar las estacas se tomará c omo base los ejes del pozo, auxiliándonos con una cuerda. Todas las estacas deben quedar perfectamente niveladas, la ubicación final de los ejes puede realizarse mediante clavos en los cuales se amarrará las cuerdas debidamente tensadas.
Excavación Las excavaciones generalmente deben realizarse mucho mas ancha por cada lado de lo que en realidad se necesita. Esto se hace con el objetivo de poder situar el encofrado con el refuerzo requerido y retirarlo más fácilmente una vez fraguado el hormigón. Lógicamente las dimensiones de la excavación tienen que estar de acuerdo con las dimensiones
calculadas para la base, considerándose previamente las condiciones del terreno donde se construirá. Por ningún concepto deberán modificarse las cimentaciones de la base sin el cálculo previo de la presión que ejercerá sobre el suelo, Si se desea construir una cimentación con un mayor volumen que el necesario, (por ejemplo previendo un posible cambio de motor) no perjudicará siempre que se corrijan las dimensiones de la base, para que la presión que ejercerá sobre el terreno sea igual o menor que la permisible.
Base. La primera operación que debemos realizar cuando se proyecta la construcción de una base para motor es realizar los cálculos previos para conocer su volumen dimensiones, etc. Cálculos de la base. Calculo del peso. Para el cálculo del peso de la base, debemos tomar en consideración el peso, r.p.m., el número de cilindros y su posición en el motor. Este cálculo se efectúa de una forma sencilla aplicando la formula siguiente:
Donde: P = Peso de la base ( kg) K = Constante P’ = Peso del equipo (kg). Consideraciones:
a) El peso de la base debe ser igual o mayor que el producto obtenido al multiplicar el peso del equipo por la raíz cuadrada de las r.p.m. del motor y por el valor de la constante K” (vez, tabla 1 y 2). b) En el peso del equipo debe incluirse el peso del motor completo (incluye base metálica) y el del equipo acoplado (bomba, generador, etc.) siempre que el acoplamiento sea directo, o sea, siempre que se requiera una sola base para todo el conjunto. c) La constante “K” depende del ciclo, número de cilindros y su posición
Cálculo del volumen del cimiento.
Conociendo ya el peso (p) de la base, se puede efectuar el cálculo del volumen del cimiento, Este no solo nos dice la cantidad de materiales necesarios a utilizar, sino que también nos ayuda a encontrar las dimensiones de nuestra base. La formula empleada es:
Donde: V = Volumen de hormigón (m3) P = Peso de la base (kg) Pe = Peso específico del hormigón (2 400 kg/m3)
Cálculo de las dimensiones de la base. El largo (l) y ancho (a) de la base debe determinarse teniendo en cuenta las dimisiones del equipo, es recomendable que la base sobresalga en ancho y largo del chasis metálico del mismo entre 150 y 200 mm, para darle mas estabilidad y repartir sus vibraciones mas parejamente. Una vez adoptadas las medidas para el ancho y largo hallaremos el área que ocupará. (esta se halla multiplicando ambas medidas) lo que nos ayudará para determinar cual será la altura (h) que deberá tener la base para que con el área dada el volumen será el calculado, la fórmula utilizar será:
Donde: h = Altura de la base. (metro) V = Volumen del cimiento. (m3) A = Área de la base. (m2)
Cálculo de la presión ejercida sobre el suelo.
Donde: W = Presión ejercida por la base y equipo sobre el subsuelo (kg/m2) P = Peso de la base .(kg) P’ = Peso del equipo. (kg)
A = Área e la base. (m2)
Consideraciones. 1) El valor obtenido para la presión (W) debe ser igual o menor que el dado en la tabla # 2 para el tipo de suelo que trate. 2) Si este valor fuera mayor se debe variar las dimensión de de la base manteniendo el volumen inalterable para buscar una mayor área (repetirse los pasos C y D) Con estos cálculos bastan para determinar todas las dimensiones y magnitudes de la cimentación. Para las bases de motores y bombas se puede utilizar hormigón con resistencia de 250 Kg./cm2 , la dosificación empleada para lograr esta resistencia depende de las propiedades de los materiales locales, como orientación damos la siguiente dosificación:
Si por alguna razón hay que hacer variaciones en las dimensiones de la base se debe tener siempre en cuenta que (w) no puede ser mayor que lo permisible por el terreno y que el peso de la base cuyas dimensiones se modifiquen tiene que ser igual o menor que el cálculo original.
Bases para bombas verticales Las bases para las bombas verticales generalmente se construyen separadas de las de los motores; esto en primer lugar evita que pasen a la misma posibles vibraciones provenientes del motor. Por otro lado esto contribuye al ahorro de materiales. En la construcci6n de la base para la bomba, se deben considerar dos aspectos fundamentales: 1. La resistencia del terreno. 2. La carga producida por el equipo completo donde se incluye el peso de la columna de líquido y el peso del hormigón de la base que se proyecta construir. El primer punto es fácil determinarlo con la ayuda de la tabla 1 una vez conocido el tipo de terreno. El segundo punto es la suma de los pesos de: a) El cabezal de engrane. b) El cabezal de descarga. c) La bomba completa incluyendo la tubería de descarga (tramos de tubos) ejes, chumaceras, etc. d) La columna líquida. e) La base de hormigón que a e proyecta construir. Conocido este valor se calcula la presión sobre el terreno, dividiendo el peso total entre el área de la parte inferior de la bomba El valor obtenido tiene que ser menor que el admitido par el terreno. De ser este valor mayor deben ampliarse las dimensiones de la parte inferior de la base en busca de mayor superficie de contacto. De manera general l as bases para bombas verticales se construyen más anchas en su parte inferior más estrecha en su parte superior, esto contribuye al
ahorro de materiales así como a disminuir el peso de la base y a distribuir el peso total uniformemente sobre el terreno,
Base típica para bombas verticales.
Refuerzos de las Bases Los refuerzos de las bases se realizan empleando barras de acero de 12 – 16 mm. Los refuerzos generalmente se utilizan cuando se construyen las bases sobre terrenos blandos. Las barras de acero se colocan en la loza horizontalmente unidas entre sí mediante amarres resistentes de alambres o soldados formando una parrilla, Al construir la parrilla debe cuidarse de situar las barra espaciadas entre si de 200 a 300 mm. Los bordes de la parrilla deben quedar aproximadamente a 150 mm separado de los bordes exteriores de la base y el recubrimiento inferior no menor a 50 mm. Cuando el hormigón no se ha vaciado en la lasa en una sola jornada o cuado se necesite fundir primero un sub-cimiento para posteriormente fundir la parte donde en definitiva se asentará el motor es necesario la colocación de barras de refuerzo verticales, cuya función principal es la de unificar las distintas capas de hormigón. Dichas barras se sitúan sobre la parrilla, amarradas o soldadas a esta.
Generalmente la fosa se construye más grande a cada lado con el objetivo de poder situar el cofre, formaleta o encofrado debidamente reforzado. Cuando la fosa producto de las características del terreno no corre peligro de derrumbes, el cofre puede ser diseñado solo para moldear la parte
superior de la base aunque no es muy recomendable por existir peligro de que se contamine el hormigón con materias extrañas. El encofrado debe ser construido de m adera de por lo menos 25 mm de espesor. Los cuatro costados deben estar debi damente reforzados con listones de 50 x 50. El cofre se introduce en la lasa de la forma en que se ilustra en la figura.
El borde superior del cofre debe quedar aproximadamente unos 25 mm por debajo de la altura que en definitiva tendrá la base, esto permitirá La posterior aplicación de mortero una vez efectuada la alineación final de los equipos.
Plantillas. Es necesaria la construcción de una plantilla para situar los pernos de anclaje de los equipos en su posición debida. En la mayoría de los casos el fabricantes suministran los planos con las dimensiones de los equipos, ubicación de los orificios de anclaje, etc. los cuales son necesarios para la construcción de la plantilla, de no contarse con dichos planos, se deberá medir directamente en los equipos para obtener estos datos. La plantilla puede ser construida de listones de madera reforzados lo suficientemente para que soporten la manipulación normal y el peso de los tonillos de anclaje. En la práctica se utilizan diferentes métodos para construir las plantilla. También existén diferentes métodos para sostener los tornillos de anclaje y en algunos casos estos no se sujetan a la plantillas.
Uno de los métodos más utilizados para la colocación de los tonillos de anclaje e n las bases de los equipos, es el de suspender el tornillo en la plantilla (ver figura).Se debe adicionar un separador (arandelas) al tornillo por la parte superior de la plantilla para dar la distancia que debe sobresalir éste. Los tornillos de anclaje deben penetrar en el hormigón como mínimo de 200 mm, la distancia que debe sobresalir el tornillo depende de espesor de la base metálica del equipo y grueso de la capa
de derretido que se verterá entre el hormigón y la base metálica una vez realizada la alineación final.
En la parte derecha de la figura, se nuestra otro método para los tornillos d e anclaje, éste consiste en construir una caja larga que se sujeta por la parte inferior de la plantilla. De esta manera se deja una abertura cuadrada profunda en el hormigón dond e posteriormente se sitúan los tomillos, posterior a la alineación del equipo, los huecos se rellenan con adhesivo estructural como la resina epóxica o mortero expansivo. Este método permite mejor alineación de los anclajes que el representado anteriormente.
Situación, nivelación y alineación de los cofres y plantillas. Estas operaciones deben ser realizadas con sumo cuidado, ya que ella depende la correcta alineación de los equipos e inclusive el aspecto de la instalación. Esta operación se torna un poco mas compleja si lo que se proyecta instalar fuera un motor de combustión acoplado por cardan a una bomba centrífuga vertical, ambos sobre bases individuales. Decimos esto porque además de tenerse que garantizar una correcta n ivelación y anclaje de los mismos, cosa ésta que común a cualquier instalación, debe a también una perfecta alineación entre ellos, guardándose además una distancia determina. Para la situación y alineación correcta de los cofres y plantillas en la construcción de los cimientos para un motor de combustión acoplado por cardán a una bomba vertical, es necesario: a) Conocer las medidas de los equipos (motor, cabezal de engrane y cabezal de descarga). b) Conocer qué diferencia entre ejes es necesario mantener para proporcionar un correcto ángulo de trabajo al cardan. c) Determinar, conociendo las medidas anteriores, la altura de la base para cada equipo. d) Situar las plantillas mediante puntos de referencia perfectamente seleccionados. Replanteo de los cofres del motor y la bomba.
Suponiendo que la representación de los equipos en la figura corresponde a la forma en que estos deben quedar cuando sean instalados o sea, que solo se poseen las dimensiones de los mismos y con ello debemos situar y alinear los cofres y plantillas para posteriormente fundir las bases. En la práctica todo se reduce solo a determinar la cota “d” o sea la diferencia de nivel de los encofrados
Para lo que es necesario: a) Conocer la longitud (H) o sea la distancia que existirá desde la base exterior del cabezal de descarga hasta el centro del eje horizontal del cabezal de engranaje. Esto se obtiene sumando las dimensiones (h1) y (h2) que pueden ser hallados en los manuales de los equipos o midiendo en los mismos. b) Conocer la altura (h) o sea la distancia que existe desde la cara inferior de la base del motor (la parte que asentara en el hormigón) hasta el centro del eje de salida o volante del motor, dimensiones que pueden ser halladas igualmente en los manuales o medidas directamente. c) Conocer la diferencia entre ejes (e) la cual depende de la longitud de la barra cardan que se utilizará y del ángulo de trabajo deseado para el mismo. En nuestro caso se ha acordado un ángulo de trabajo no mayor que 8º La altura “x” depende de la las condiciones del terreo, características de la estación y si existe peligro de inundación. Debe tratarse siempre de hacer “x” lo menor posible, lo que hace más cómodo la operación del equipo. Conociendo todas las dimensiones se procede a determinar “d”
de la forma siguiente:
Si H fuera mayor que h (como ocurre en la mayor parte de los casos), “d” sería la distancia a que
debe quedar la superficie de la base del motor por encima de la base de la bomba (así se represente en la figura). Si por el contrario “h” fuera mayor que “H” entonces sería la base de la bomba la que debe sobresalir la distancia (d) sobre la del motor. Por otro lado se plantea la suma o diferencia de “e”
porque la prolongación del eje horizontal del cabezal puede pasar por encima o por debajo del eje del motor.
Alineación de los cofres. Al situar los cofres y plantillas de debe cuidar los siguientes aspectos: a) La alineación correcta entre ambos. b) La distancia entre ellos. El punto a) evita que entre el eje del motor y la bomba exista falta de paralelismo tanto horizontal como verticalmente. El segundo punto nos evita modificar la barra de transmisión porque la distancia entre los ejes nos
haya quedado más corta o más larga. Esto se elimina tomando con anterioridad las medidas correctamente de la barra de trasmisión y las distancias del centro del cabezal al extremo de su eje de toma de fuerza y la del último agujero para el tronillo de anclaje del motor al extremo de su eje de salida, determinándose de esta forma las separación carreta entre los cofres y plantillas de ambos equipos.
En la figura anterior se da una idea de la forma que debe situarse el cobre y la plantilla para la correcta alineación de los equipos. Para ello se deben buscar varios puntos de referencia con el objetivo de colocar las plantillas de forma tal que al situar los equipos la prolongación de la línea del eje de ambos (motor y cabezal) coincidan. Por otro lado la cota (C) debe ser calculada teniendo en cuenta lo siguiente: a) Longitud del cardan a utilizar. Tomar la longitud del cardán poniendo el coupling deslizante en la mitad de su recorrido. b) Distancia de uno de los agujeros de anclaje al extremo del eje de salida del motor y la distancia de unos de los agujero de anclaje al extremo del eje de toma de fuerza del cabezal de e ngrane. Por otro lado, tanto las plantillas como los encofrados, deben quedar correctamente nivelados. Al situarse los encofrados y plantillas para el posterior vertido del hormigón de la base, deben tenerse muy presente los aspectos siguientes: 1. La diferencia de altura que debe existir entre la base de ambos equipos lo cual nos determinará el ángulo de trabajo de la barra de trasmisión así como la facilidad para la operación del equipo y ejecución de las operaciones ente las bases. 2. La distancia entre las bases. Esto nos evitará tener que modificar la barra de trasmisión por no calcular correctamente la separación entre las bases. 3. Hacer una perfecta alineación y ni velación de los cofres y plantillas para mantener un correcto paralelismo tanto verticalmente como horizontalmente, entre los ejes de ambos equipos. Debe comprobarse que las distancias E y F sean iguales en los cuatro orificios para los tornillos de cada una de las bases. Con la observación de estos tres aspectos se logra una instalación sin dificultades.
Vertido del hormigón. Se debe tener especial cuidado en preparar la suficiente cantidad de hormigón para llenar los cofres de una sola vez para evitar j untas en el hormigón. El vertido del hormigón se debe efectuar teniendo cuidado de no golpear los cofres y plantillas, con lo cual se evita la perdida de la alineación. Una vez vertido el hormigón debe utilizarse vibradores o fijas para evitar las cavidades en la mezcla, debe evitarse el contacto del vibrador con el acero y cofres. Al otro día de vertido el hormigón se recomienda pasar un cepillo de acero por todo la superficie con el fin de prepararla para recibir el mortero empleado en la alineación final. Curado del hormigón. El curado del hormigón es esencial pues a ello se debe en gran parte la resistencia y durabilidad futuras del hormigón. El curado del hormigón es la operación por medio de la cual se mantiene
húmedo y a temperatura adecuada, superior a 10°c, el hormigón para que la hidratación del cemento, continúe en las mejores condiciones. El curado del hormigón debe iniciarse dentro de la hora de colocado en obra (cuando se inicie el secamiento de su superficie) en superficies sin recubrir, e inmediatamente después de quitados los moldes, en aquellas cubiertas por éstos, (los moldes de madera deben mantenerse húmedos para que no se abran las juntas y los de metal deben ser lo suficientemente herméticos para impedir las pérdidas d e humedad). El curado debe continuar durante 7 días como mínimo si se emplea cemento de tipo normal, y 3 días si se emplea cemento de endurecimiento rápido. Los sistemas que pueden emplearse para el curado son los siguientes: 1. Mantenimiento del molde. 2. Inundación de la superficie. 3. Lluvia artificial en la superficie. 4. Lienzo de algodón o tela de saco que se mantenga constantemente húmedo en contacto con la superficie. 5. Arena, tierra o serrin, húmedos (2,5 cm de espesor). 6. Aplicaciones de material bituminoso. 7. Selladores de superficie plásticos. El curado debe iniciarse con tela húmeda o con lluvia muy fina, y cuando el hormigón haya adquirido cierta consistencia, a las 12 horas aproximadamente después de colocado, emplear cualquiera de los otros procedimientos relacionados. El método de lienzo húmedo es el más apropiado para iniciar el curado; el lienzo debe estar en contacto con la superficie de hormigón, debe ser doble, preferiblemente y estar limpio de sustancias que puedan ser perjudiciales al hormigón. Cuando se emplean materiales bituminosos éstos deben cumplir las especificaciones correspondientes, deben aplicarse después de 24 horas de colocado el hormigón y haber sido curado éste durante ese tiempo por los procedimientos indicados para el curado inicial, debiendo estar húmeda la superficie, al aplicarse el material bituminoso. Esta aplicación debe hacerse por medio de un irrigador o pulverizador capaz de producir una superficie lisa y uniforme sin dejar poros en la misma. La aplicación de plástico (polietileno) im permeable requiere un ajuste perfecto de éste a la superficie del hormigón; las uniones de las diferentes hojas mantas, deben ser impermeables. Debe inspeccionarse periódicamente el hormigón debajo del plástico, y si se encuentra seco, humedecerse, recubriéndose nuevamente. La aplicación del plástico tiene la ventaja de proteger el hormigón contra los golpes.
Alineación final. Después de al menos una semana del vertido del hormigón y situados los equipos sobre sus bases se procederá a la alineación final de los mismos. Para esto se suspende los equipos para situar bajo ellos cuñas de acero, luego se verifica si existe un correcto paralelismo entre los ejes de salida del motor y el cabezal, demás de verificar si la diferencia de altura entre los mismos corresponde al ángulo de trabajo del cardan, si no se cumple este requisito se procese a ajustarlo mediante las cuñas. Terminada esta operación se procede de ser necesario procede a aplicar el mortero requerido para llenar el espacio entre las bases de hormigón y metálicas. Este proceso se realiza de la forma siguiente: 1. Se construye un pequeño cofre alrededor de la base metaliza con el fin de contener el mortero. 2. La proporción del mortero debe ser 1 parte de cemento y 1 1/2 de arena. Esta mezcla debe tener la fluidez requerida para que se deslice entre las dos bases. 3. Se humedece bien la superficie del hormigón el cual debe tener una terminación áspera. 4. Se aplica una “lechada” de cemento y posteriormente se aplica el mortero teniendo cuidado de
que penetre en todas las oquedades. 5. Pasadas 72 horas se aprietan los pernos de anclajes. Nota: Si las cuñas no son de acero estas deben retirarse a las 48 horas. De esta forma se concluye los trabajos de la cimentación de los equipos. Cuando los motores y bombas están colocados en edificaciones o casetas de protección es recomendable colocar un material elástico de al menos 5 mm de espesor de polietileno, caucho material bituminoso etc. entre la base y la losa de hormigón de piso, con el fin de evitar que las vibraciones del motor o la bomba se trasfiera a la losa de hormigo y puedan dañarla.
Modelos de base según las características de los motores.
