CASOS ESPECIALES. Recomendaciones Generales para el Diseño y Construcción de Cimentaciones para Equipos Vibratorios. INSTRUCTORES: Ing. Edins on Guanch ez (UC (UC,, SISM SISMICA ICA c.a.)
Fundaciones
para
Equipos
Rotativos
y
Reciprocantes.
Las fundaciones para bombas centrífugas y reciprocantes de acción lenta, u otros equipos rotativos serán normalmente del tipo de bloque de concreto con todos los accesorios incorporados a la misma cimentación, con la finalidad de asegurar la acción integral (equipo-cimentación).
Fundaciones
para
Equipos
Rotativos
y
Reciprocantes.
Las fundaciones para bombas centrífugas y reciprocantes de acción lenta, u otros equipos rotativos serán normalmente del tipo de bloque de concreto con todos los accesorios incorporados a la misma cimentación, con la finalidad de asegurar la acción integral (equipo-cimentación).
Tipos de Equipos. Equipos Rotativos.
Se generan fuerzas de desbalanceo debido a que no coinciden el centro de rotación y el centro de masa de la parte que rota.
DISEÑO DE CIMIENTOS PARA EQUIPOS DINAMICOS SEGÚN ACI-351-3R-04. Autora: Prof. Prof. Zulma Pardo Pardo.
Tipos de Equipos. Equipos Reciprocantes.
C y D efectúan un movimiento periódico.
A y B efectúan un movimiento alternante.
A = Pistón. B = Biela. C = Brazo D = Cigüeñal. O = Eje principal.
DISEÑO DE CIMIENTOS PARA EQUIPOS DINAMICOS SEGÚN ACI-351-3R-04. Autora: Prof. Prof. Zulma Pardo Pardo.
Tipos de Equipos. Equipos de Impacto. Producen un impacto o golpe esporádico sobre una pieza, el cual se transmite de forma indirecta a la cimentación.
Ejemplos de Maquinas Impulsivas. DISEÑO DE CIMIENTOS PARA EQUIPOS DINAMICOS SEGÚN ACI-351-3R-04. Autora: Prof. Zulma Pardo
Clasificación de Maquinas según la Fuerza de Excitación .
De Baja Frecuencia: 0 < f ≤ 300 (rev/min) Grandes maquinas rotativas, tales como: Motores Diesel pesados, motogeneradores, maquinas de embolo, biela-manivela, motores de combustión, compresores de pistón. •
De Media Frecuencia: 300 < f ≤ 1.000 (rev/min) Maquinas de embolo medianas, turbomaquinas lentas, motores diesel intermedios, motores alternativos de compresores. •
De Alta Frecuencia: 1.000 < f ≤ 3.000 (rev/min) De Muy Alta Frecuencia: 3.000 < f ≤ 10.000 (rev/min) Turbogeneradores, turbinas de vapor, turbodinamos, turbomaquinas en general. • •
Tipos de Cimentaciones. Cimentaciones Tipo Bloque
Tipos de Cimentaciones. Cimentaciones Tipo Pórtico.
Tipos de Cimentaciones. Cimentaciones sobre Resortes o Aisladores.
Tipos de Cimentaciones. Cimentaciones sobre Pilotes.
Pilotes.
Propiedades de los Suelos. Para este tipo de cimentaciones se requieren propiedades tales como: •
Relación de Poisson (µ).
Relación bajo una carga de compresión de las deformaciones laterales y las deformaciones transversales. •
Modulo Dinámico a Cortante (G).
Pendiente de la curva cortante versus deformación, sin embargo, el comportamiento del suelo es mas equivalente a un comportamiento de tipo elasto-plastico.
•
Relación de Poisson (µ).
Según Bowles (1997)
Según ACI 351.35.04
Según ACI 351, cuando no se conocen estos valores se pueden estimar en 0.33 para suelos no cohesivos y 0.40 para suelos cohesivos. Por lo general, se determina mediante ensayos geofísicos con la velocidad de las ondas de corte.
•
Modulo Dinámico de Corte .
= 2
Debido a que la mayoría de las pruebas geofísicas inducen deformaciones por corte inferiores a 0,0003%, las velocidades de ondas de corte (Vs) pueden ser utilizadas para estimar Gmax a partir de la expresión anterior. Donde “ r ” es la densidad del material.
ONDAS P. (LONGITUDINALES)
ONDAS S. (TRANSVERSALES)
http://www.acs.psu.edu/drussell/demos/waves/wavemotion.html
ONDAS DE SUPERFICIE. ONDAS RAYLEIGH.
SON LAS ONDAS QUE OCASIONAN MAS DAÑOS EN UN EVENTO SISMICO. http://www.acs.psu.edu/drussell/demos/waves/wavemotion.html
•
Modulo Dinámico de Corte . (Estimación por Correlaciones).
Según Schmertmann (1978) Vs = 10 a 20 N60. Según Bowles (1997)
Según COVENIN (1756)
Otras Correlaciones. Relaciones empíricas entre el G max y diferentes parámetros obtenidos de pruebas en sitio. Ensayo en Sitio (In Situ)
Relación. = 10000(1)0.333 60 (
)
0.5
´
Tipo de Suelo.
Referencias.
Arenas
Ohta y Goto (1976) Seed et al. (1986)
Arenas
Imai y Tonouchi (1982)
SPT 0.68 = 32560
= 1634 ( )
0.250
0.375
´
Arena Cuarcitica.
Observaciones. y
en
´
2
en kips/ft . , y en kPa. ´
Rix y Stokoe (1991)
CPT
Basada en pruebas de campo desarrolladas en Italia. , y en kPa. Basada en pruebas de campo desarrolladas en diferentes sitios a nivel mundial. ´
= 1634 ( )0.250
0.375
´
Arcilla
2
lb/ft .
Mayne y Rix (1993)
Amortiguamiento en Suelos. Es la disipación de energía que ocurre para contrarrestar el movimiento o que se opone al movimiento libre del sistema.
G y x son referidos frecuentemente como parámetros del material lineal equivalente.
Abertura de la Curva. è Capacidad de Disipación de Energía.
Amortiguamiento en Suelos. El amortiguamiento posee dos componentes: •
El amortiguamiento por radiación: Disipación de ondas elásticas en las cercanías del cimiento con la correspondiente deformación inelástica del suelo.
•
El amortiguamiento del Material: Referido al comportamiento histerético del material, calculado como el área encerrada bajo la curva de un ciclo de histéresis.
Amortiguamiento en Suelos. En la practica se utilizan valores de βm que oscilan entre 5% y 10%. El amortiguamiento del suelo se define como la relación entre el amortiguamiento real (Ci) y el amortiguamiento critico del suelo (Cci), es decir: = 100%
Según Stewart y Campanella (1993)
Comportamiento Típico referido a la Rigidez y Amortiguamiento en Suelos.
Para diseño de bases para equipos se estila utilizar G/Gmax @ 0.25 – 0.50.
(Vucetic y Dobry, 1991).
Estimación de Cargas. Por desbalanceo de masas . La fuerza es proporcional al cuadrado de la velocidad de operación. La carga debido al desbalanceo de las masas se transmite a los cimientos a través de los puntos de apoyo y según la posición de los mismos. Las fuerzas por desbalanceo de masas que suministran los fabricantes toman en cuenta lo siguiente: •
El desbalanceo máximo posible de las masas para un valor máximo de velocidad de operación. Se utiliza para determinar la fuerza máxima esperada sobre el cimiento durante su vida útil .
Estimación de Cargas. Por desbalanceo de masas . Las fuerzas por desbalanceo de masas que suministran los fabricantes toman en cuenta lo siguiente: •
Un valor máximo de vibraciones que no sea desagradable para las personas. Se usa para determinar la vibración normal del
cimiento. •
Un valor máximo de vibración del equipo que sea aceptable para operar adecuadamente. Se usa para determinar la vibración
máxima del cimiento durante su vida útil. •
Un valor máximo de desbalanceo que se produzca para las velocidades de operación de los equipos.
Estimación de Cargas. Por desbalanceo de masas. Para la determinación de las fuerzas desbalanceadas se supone lo siguiente: •
•
Las fuerzas centrifugas debidas al desbalanceo se supone que actúan en el centro de gravedad del rotor y varían armónicamente con la velocidad de la maquina y en las dos direcciones perpendiculares al eje. La fuerzas ortogonales en las dos direcciones del eje, se transmiten al cimiento a través de los apoyos.
Estimación de Cargas. Por desbalanceo de masas . La fuerza dinámica (Fo) se puede calcular mediante la siguiente expresión:
=
1000
(N)
Donde: • • • •
= Masa giratoria (Kgf) = Excentricidad de la masa (mm) = Frecuencia de operación del equipo (rad/s) = Factor de servicio. Mayor o igual a 2. Considera el desbalanceo de las masas con el tiempo de operación del equipo.
Otros Criterios: ISO-1940, ANSI S2.19, API 617, API 684.
Estimación de Cargas. Por desbalanceo de masas . Otras empresas utilizan Sf = 2 y la fuerza igual a:
=
.5
(N) 322000
Muchos fabricantes no reconocen el desbalanceo del equipo con el tiempo, para estos casos se puede utilizar la siguiente expresión empírica:
=
(N) 6000
Donde: • •
= Peso del Rotor (N) = Velocidad de operación (rpm)
METODOS DE DISEÑO.
1. Método de dimensionado según la relación de masas. 2. Método de la carga estática equivalente. 3. Método del análisis dinámico o análisis de vibraciones
METODOS DE DISEÑO. 1. Método de dimensionado según la relación de masas.
Consiste en suministrar suficiente masa al cimiento de forma que la vibración indeseable no se presente, por absorción del concreto y/o disipación del suelo. El ACI 351 considera que este método es adecuado para equipos con carga superior a 22 KN con fuerzas desbalanceadas bajas. No se considera suficiente para maquinas reciprocantes. Relación de Masa : Los soportes para las bombas centrífugas, compresores centrífugos y reciprocantes y otros equipos sujetos a vibraciones, tendrán una relación de peso de fundación de concreto armado a peso del equipo de 3:1 para equipos centrífugos y 5:1 para equipos reciprocantes.
METODOS DE DISEÑO. 1. Método de dimensionado según la relación de masas.
Para monobloques sobre pilotes de equipos rotatorios, el peso de todo el conjunto se recomienda que sea 2.5 veces el del equipo. Si se trata de equipos reciprocantes se recomienda que el peso del cimiento incluyendo los pilotes sea 4 veces el del equipo. Se recomienda que las resultante de presiones sobre el cimiento caiga sobre el tercio medio para evitar el levantamiento. Se recomienda que el ancho mínimo sea de 1.5 veces la distancia vertical del eje del equipo al fondo de la cimentación. Otro criterio consiste en considerar que la distancia entre el centro de gravedad del sistema y el centro geométrico del cimiento sea menos del 5% de la menor dimensión en planta del cimiento.
METODOS DE DISEÑO. 1. Método de dimensionado según la relación de masas. Espesor mínimo recomendado : El mayor entre. • • •
1/5 de la menor dimensión en planta. 1/10 de la mayor dimensión en planta. 0.60 m
Tope de la cimentación: de 20 a 30 cm por encima del piso acabado. Altura del bloque: no debe ser menor que 60 cm, o lo requerido por los pernos de anclaje de la máquina. Para que la fundación sea considerada como un bloque rígido, la altura debe ser mayor que 0.60+L/30 (m) siendo (L) el largo o la dimensión mayor en planta de la fundación.
METODOS DE DISEÑO. 2. Método de la carga estática equivalente.
Es un método simplificado que asume las cargas como pseudo-dinámicas. Se utiliza para equipos con peso inferior a 45 KN. Para aplicar el procedimiento se requiere: a. Equipos Rotativos . Peso del equipo. Fuerzas y momentos desbalanceados para velocidad normal de operación. Fuerzas individuales en los cilindros. • •
•
b. Equipos Reciprocante. Peso del equipo y la placa base. Fuerzas pseudo-dinámica vertical de diseño. Fuerzas pseudo-dinámica horizontal de diseño. •
•
•
Con estos dat os se det ermina la fr ecuencia nat ural del equipo y l a defor mación
METODOS DE DISEÑO. 3. Método de Análisis Dinámico o Análisis de Vibraciones.
Es el mas refinado y se emplea para maquinas pesadas con fuerzas dinámicas considerables. Se requiere la siguiente infor mación : Fuerzas y momentos desbalanceados primarios en los rangos de operación de los equipos. Fuerzas y momentos desbalanceados secundarios en los rangos de operación de los equipos. Fuerzas individuales de los cilindros. •
•
•
El procedimiento contempla dos etapas : a. Determinación de la frecuencia natural de vibracion y modos de vibración del sistema cimiento-maquina. b. Calculo de la re sta dinámica del sistema cimiento-m uina
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA) Se utilizan resortes para representar la interacción suelofundación. Estos resortes se presentan como valores complejos donde: La parte real representa la rigidez. La parte imaginaria representa el amortiguamiento.
• •
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA) En una fundación rígida el problema se resume a: •
3 Resortes para sistemas de dos dimensiones (2D)
•
6 Resortes para sistemas de tres dimensiones (3D).
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA) Para cada excitación armónica, la impedancia dinámica es definida como la razón entre la fuerza (o momento) “R” y el desplazamiento en equilibrio resultante “U”.
Sz = Rz(t) / Uz(t)
La respuesta debido a fuerzas externas puede ser determinada mediante la construcción de la matriz de funciones de impedancia dinámica [S(w)].
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA) De esta forma se pueden definir las siguientes impedancias: •
Sy = Impedancia lateral al balanceo para movimiento horizontal en
la dirección corta. (Fuerza/Desplazamiento) Sx = Impedancia lateral al balanceo para movimiento horizontal en la dirección larga. (Fuerza/Desplazamiento) Sz = Impedancia vertical al balanceo para movimiento vertical. (Fuerza/Desplazamiento) Srx = Impedancia al balanceo para movimiento rotacional alrededor del eje centroidal “x” de la fundación. (Momento/Rotación) Sry = Impedancia al balanceo para movimiento rotacional alrededor del eje centroidal “y” de la fundación. (Momento/Rotación). St = Impedancia torsional para oscilación rotacional alrededor del eje “z” de la fundación. (Momento/Rotación). •
•
•
•
•
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA) Las impedancias están referidas a ejes que pasan a través del centroide de la interfaz entre el suelo y la fundación. Debido a la presencia de radiación y amortiguamiento del material en el sistema para todos los modos de vibración, “R” por lo general esta fuera de fase con “U”, por lo que se expresa la impedancia como una función compleja de la forma:
S=k+iwC Donde “k” y “C” están en función de la frecuencia “w”.
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA) La componente real “k” se denomina rigidez dinámica y refleja la rigidez e inercia del suelo de soporte. La componente imaginaria “w C”, es el producto de la frecuencia circular “w” veces el coeficiente de amortiguamiento “C”, que refleja la radiación y amortiguamiento del material (debido a energía de ondas esparcidas desde la fundación y la energía disipada en el suelo por acción histerética respectivamente). El coeficiente de amortiguamiento (Total C) puede incorporar el amortiguamiento histerético del suelo (b) mediante:
Total C = Radiación c + 2K( )/w
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA) Se han desarrollado diferentes técnicas para calcular la rigidez dinámica y los coeficientes de amortiguamiento de fundaciones en suelos lineales. Estas técnicas han alcanzado gran nivel de sofisticación y precisión para resolver problemas de interacción en configuraciones suelo-fundación de gran complejidad. Entre estas destacan: •
Método de la integral transformada
(Kausel, 1974; Luco y Wetsmann, 1971; Veletsos y Wei, 1971). •
Método de los elementos de contorno
(Dominguez y Roesset, 1978) •
Elemento Finito Dinámico
(Kausel, 1974; Lysmer y Kuhleymeyer, 1969). •
Métodos Simplificados.
(Richart, 1970; Kausel, 1981; Novak, 1971; Roesset, 1980; Veletsos 1974)
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA) El método seleccionado debe reflejar de forma adecuada las características del sistema suelo-fundación y de la excitación. La forma de la interfaz suelo-fundación. (Circular, franja, rectangular, arbitraria) •
Cantidad de empotramiento en el terreno (Superficial, empotramiento parcial o total, pilotes) •
Naturaleza del perfil del suelo (Uniforme, deposito estratificado, superficial sobre roca) •
El modo de vibración y la frecuencia de excitación.
•
(USO DE FUNCIONES DE IMPEDANCIA)
Fundaciones Superficiales y Enterradas de geometrías arbitrarias (Gazetas, 1991)
Fundaciones para Equipos Rotativos y Reciprocantes El diseño incluirá los siguientes criterios: Las frecuencias naturales del sistema bloque–suelo estarán fuera del límite de 0,8 a 1,2 veces la frecuencia de operación del equipo. •
Por ejemplo, para una determinada área en planta de un cimiento, la frecuencia propia del mismo se reduce a medida que aumenta su masa. Si por el contario, se desea incrementar la frecuencia propia del cimento, se debe disminuir su altura y aumentar el área de contacto de la base con el suelo de fundación. Período Natural de Vibración (s) K = Coeficiente de Rigidez Dinámico.
Frecuencia Natural de Vibración (Hertz, Hz, 1/s)
Fundaciones para Equipos Rotativos y Reciprocantes. El diseño incluirá los siguientes criterios: La amplitud de vibración de la fundación, usada como un criterio de diseño, estará dentro de los niveles de seguridad con respecto a la frecuencia de vibración del equipo. •
Para fundaciones cargadas dinámicamente, los valores de soporte permisibles se recomiendan que sean la mitad de los valores de soporte permisibles para las cargas estáticas. •
Proporcionar las fundaciones para evitar torsión, asentamiento, deslizamiento u oscilaciones excesivas. •
Fundaciones para Equipos Rotativos y Reciprocantes. El diseño incluirá los siguientes criterios: Cuando se requieran pilotes, los pilares de apoyo pueden ser complementados por pilotes inclinados para transmitir las fuerzas horizontales. •
El diseño de las fundaciones para equipos grandes reciprocantes o rotativos tales como compresores, turbinas, generadores, etc., será revisado por el fabricante del equipo. •
Mantener la amplitud de vibración de la fundación dentro de los límites definidos por el fabricante del equipo. Cuando esta información no esté disponible se podrá utilizar la siguiente grafica para diseñar la fundación de modo que su amplitud de vibración esté dentro del Área A •
