Diseño de Compuerta Hidraulica

CLIENTE : MQ METALURGICA SAC PROYECTO: DISEÑO DE COMPUERTA DESLIZANTE / CASA DE M AQUINA

REVISIÓN: 0 FECHA: NOV 11, 2015

CENTRAL HIDROELECTRICA EL CARMEN

INDICE 1. OBJETIVO 2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO – ESTRUCTURA PRINCIPAL DE LAS COMPUERTAS PLANAS. 3. GENERALIDADES 4. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS APLICABLES 5. CÁLCULOS DE RESISTENCIA MECÁNICA  DISE!O DE LA ESTRUCTURA DE LA COMPUERTA ". DISE!O ESTRUCTURAL DE COMPUERTAS #. CANTIDAD DE VIGAS $ORI%ONTALES EN LA COMPUERTA &. MECANISMO DE ACCIONAMIENTO '. CALCULO DE LA FUER%A (UE SE RE(UIERE EMPLEAR EMPLE AR PARA ELEVAR LA COMPUERTA PROYECTADA 1). ANE*OS

RUC 20524958652 Oficinas: Av. Los Patriotas No.168- Apto.605 aran!a " #an i!$%& 'Li(a "P%r)* +a&&%r%s: Ca&&% ,in /it% . Lot%.63 n$stria Ca&aca - Ca&&ao +%&fono: 58'285*5118261758'285*4151552 - %n%$%&a 51 98100644 'vi&* 7 51'1*65024;1 'Oficina* - P%r)

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1. OBJETIVO

La captación de la central y la casa de máquinas, requieren compuertas planas que garanticen la seguridad durante los trabajos de mantenimiento en l os canales en la captación y en la casa de máquinas. La operación de las compuertas será efectuada desde las plataformas (losa) con sus sistemas de izamiento. Las compuertas deberán operar a lo largo de las guías laterales embebidas en el concreto y deberán sellar en su parte inferior contra la platina del asiento inferior. Las compuertas planas en la captación podrán ser operadas en apertura y cierre con máximo flujo, a presiones desequilibradas en los nieles máximo extraordinario, a una elocidad entre !." y !.# m$min por medio de un sistema manual de transmisión de izamiento, deben poderse operar para apertura parcial en todo el rango de desplazamiento.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO – ESTRUCTURA PRINCIPAL DE LAS COMPUERTAS PLANAS. La construcción de las compuertas planas es constituida por miembros de acero estructural. La membrana deberá ser fabricada por una lámina enteriza de acero, de espesor uniforme en toda su área, los miembros estructurales consistirán en igas %orizontales distribuidas de forma regular, estas igas son calculadas como igas simplemente apoyadas en ambos extremos, espaciadas para soportar la misma carga debida a la posición del empuje %idráulico. &ntre las %orizontales se instalarán elementos rígidos erticales ('igidizado res) p ara dar mayor resistencia a la estructura y eitar la flexión. e deberán disponer agujeros de "! mm de diámetro para drenaje del agua en los elementos rígidos y en las almas de las igas %orizontales, estos agujeros no afectan la resistencia de ninguno de los miembros estructurales de la compuerta. odos los espesores calculados de la compuerta para las partes sumergidas serán incrementados en *mm (+orrosión dmisible), para compensar el efecto por corrosión. La deflexión admisible de todos los elementos estructurales de la compuerta no debe rá exceder de L$-!! de sis respectias luces.

La importancia en el montaje de estas compuertas se debe a que estas son el dispositio de seguridad que protege los equipos y el interior de la casa de máquinas en caso que se presente crecimiento del rio y sobre pase el niel del rebose desde la descarga al rio.


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3. GENERALIDADES Los componentes principales de una compuerta deslizante y sus características más %abituales son "./ 0L&'1 &structura metálica reticular mecano soldada autor resistente, forrada con una c%apa en la cara de incidencia del agua, con juntas perimetrales fijadas mediante pletinas y tornillería, bandas de deslizamiento en latón fij adas mediante tornillería, patines laterales de guiado y cogidas superiores para acoplar al accionamiento. +uando se trata de compuertas de peque2o tama2o, puede optarse por un tablero macizo. ".* 345 6ormadas por c%apa plegada, se encargan de transmitir el empuje %idráulico que recibe el tablero a la obra ciil, guían el tablero al deslizar sobre ellas y aportan una superficie de contacto para el sellado de las juntas laterales. "." 1L&' 6ormada por c%apa plegada, se encarga de transmitir el peso del tablero y la fuerza de cierre del accionamiento a la obra ciil y aporta una superficie de contacto para el sellado de la junta inferior. ".7 859&L 6ormada por c%apa plegada, se encarga de transmitir el empuje %idráulico que recibe el tablero a la obra ciil y aporta una superficie de contacto para el sellado de la junta superior. ".# 5&: 8& 104'+5;9 &n este tipo de compuertas se emplea junta de &<8:, que puede ser pre=conformada en ángulo, plana o tipo nota musical en función del tipo de compuerta y de si es una junta lateral, inferior o superior. ".- <4&9& 8& :&+95:1 &structura metálica mecano soldada que soporta el peso del tablero, el del mecanismo de accionamiento y el esfuerzo que genera dic%o accionamiento al moer el tablero a plena carga. &sta estructura queda fijada con tornillería a las guías o anclada a la obra ciil, siendo por tanto desmontable. ".> 1''& 8& ++519:5&91 +uando la distancia del accionamiento al tablero así lo requiere, el puente de mecanismos es sustituido por una torreta de accionamiento quedando el bastidor con una longitud de guías adecuadas a la altura del tablero. &sta torreta metálica mecano soldada soporta el peso del tablero, el del mecanismo de accionamiento y el esfuerzo que genera dic%o accionamiento al moer el tablero a plena carga. u fijación es a la obra ciil mediante anclajes, lo que permite ser desmontada. ".? :&+95:1 8& ++519:5&91 &s el sistema que permite la apertura y cierre de la compuerta a plena carga.
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efecto y grupo de presión. Los accionamientos neumáticos se realizarán con cilindros neumáticos de doble efecto y grupo compresor con calderón. &n los casos que se requiera se incluirá un cuadro el@ctrico de alimentación, protección control y se2alización. 4. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS APLICABLES 7./ La compuerta estará fabricada de acuerdo a la 9orma 859 /A>!7 (Bydraulic teel tructures) y 8esign Bydarulic 3ates (# C' $ : "-). 0astidor utoportante. ablero  cero 5noxidable 55 "/- (cero l +arbono *># C' $ : "-) Cunta de &stanqueidad  &<8: Busillo  cero 5noxidable 55 "/ornillería  cero 5noxidable * ó 7 8eslizante 
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5. CÁLCULOS DE RESISTENCIA MECÁNICA  DISE!O DE LA ESTRUCTURA DE LA COMPUERTA odas las partes de la compuerta se dise2aran por separado, tomando en cuenta las fuerzas relacionadas entre sí para cada elemento a dise2ar. RUC 20524958652 Oficinas: Av. Los Patriotas No.168- Apto.605 aran!a " #an i!$%& 'Li(a "P%r)* +a&&%r%s: Ca&&% ,in /it% . Lot%.63 n$stria Ca&aca - Ca&&ao +%&fono: 58'285*5118261758'285*4151552 - %n%$%&a 51 98100644 'vi&* 7 51'1*65024;1 'Oficina* - P%r)

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La +ompuerta estará conformada por arias partes que a su ez se ensambla por medio de procesos de soldadura y uniones empernadas. #./ ! mm &l diagrama de presión tiene una forma trapezoidal. &n este caso, la ubicación de la resultante del empuje de agua está dada por e H %$ " / M (B N %)$(*B N %) ustituyendo en las ecuaciones anteriores, % H B J %/

FIG. 1 D+,-,/, 0 P+ 6 C/789, P:,, S8/-+0, ; ,-8,  8 :,0.


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'eemplazando y calculando D H I0% (B J %$*) H (A.?/)(".!!)(/.7>!)(".7#! N (/.7>!$*) H //>.7#> O9 (&mpuje de gua) 'eemplazando y calculando e H %$ " / M (B N %)$(*B N %) H ((/.7>!)$") / M (".7#! N /.7>!)$(*(".7#!) N /.7>!) H !.--?-> mt. #." &spacio de Figas Borizontales 8esde el punto de ista de costos, ale la pena tener todas igas %orizontales igualmente cargados, con el fin de dise2ar una Enica sección transersal para todas las igas. &sto lo logramos diidiendo el diagrama de la presión en áreas equialentes y localización de la línea central de cada iga en el centro de cada área. &n nuestro dise2o de +ompuerta umergida

FIG.2 C/789, P:,, S8/-+0, – D+<++ 0: 0+,-,/,  ;8,9 =, >8+<,:9.


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! mm nH +antidad de áreas o igas !)* $ "7#!* J ("7#! J /7>!)* PH /.A-7%K HB (K M P) $ (n M P)Q!.# , (8onde K H /,*,",R,n) yK H (*B $"S n M P) (K M P)"$* J (K J / M P) "$*Q %/ H *,7"*.*> %* H *,?/*.>" %" H "/7>.#"# %7 H "7#!.!!

y/ H *,*/7.!-* y* H *-*>./! y" H *,A?".*-> y7 H ","!/.!>?-

#.# +asos de +arga La &stándar 0rasile2a 90' N ???", establece tres (!") cargas para dise2ar compuertas, de acuerdo a la frecuencia de ocurrencia y la naturaleza de la carga y las probabilidades de coincidencias. +argas 9ormales +argas 1cacionales e ealuó el estándar 90'=???", respecto a alas cargasG +asos de cargas 9ormales • •


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e considerará las más desfaorables alores y combinaciones de la cargas %idrostáticas a un niel normal de agua (5ncluyendo la influencia de las olas), efecto %idrodinámico, 6uerza de fricción,

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8onde K H 6actor 9o dimensional, obtenido de la abla. #.", en función de la relación a$b (longitud de apoyo del módulo formado por las igas y$o refuerzos rigidizado res) y la condición soporte del módulo. pH ?/"" mG entonces tenemos < H (A?!! 9$m") x (*.>?/"") H *>*#>.!"7

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FIG.3 T/,0, 0 :, N/, NBR &&&3?4.'.1.4 -.* La 6uerza de presión (&mpuje BidraElico) actEa a los *.>? mts. 0ajo el niel del agua y que actEa normal a la superficie como se muestra en la fig.

FIG. 4 L, F8@, 0 7+ E/78 $+0,:+; ,;9, , : 2.#& /9. Luego, para el análisis del cálculo de pantalla de compuerta, se establecen amarres en los perfiles erticales de la compuerta cada bH -*" mm y separación de aH "#- mm. +alculamos la relación b$a H /.>#G y condición de soporte del mod ulo determinamos en la abla #." (90' ???"), tendremos O /Z H *".A O 7Y H "7." O /Y H /!.? O "Z H 7?.7 8e acuerdo a la ecuación VHW (K$/!!) (p) ( a* $t*) endremos los esfuerzos principales que actEan en la placa de la p antalla de la +ompuerta. V/Z HW (*".A$/!!) (*.>*#> 9$cm*) ( "#.-/>)* $(!.A#")* H W A.!A :*#> 9$cm*) ( "#.-/>)* $(!.A#")* H W 7.// :*#> 9$cm*) ( "#.-/>)* $(!.A#")* H W /".!- :*#> 9$cm*) ( "#.-/>)* $(!.A#")* H W /?.7" :

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FIG.5 COEFICIENTE PARA ESFUER%OS ADMISIBLES – ELE. ESTRUCT. +onsiderando un factor de corrección sH !.?> de la abla 7 (abla #./) de la 9orma 9orma 90' ???" 7.?.>./G y teniendo la data del cero &structural : "-, eH *7?./ :pa. (*7?./) H */#.?# :

&ste alor es superior a los factores de seguridad que recomienda la 9 orma 90' ???", por lo tanto cumple las espectatia de resistencia.


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FIG. " E<,:8,;+ 0 P:,;, 0 P,9,::, S+ P:,9

-." +álculo de 6lexión de la

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'eemplazando alores y calculando \ H (!.!*-!>#)] (*.>*#> 9$cm*)] ("#.-/> cm)7) $ (*./ x /! > 9$cm*)] (&%5$3 cm)3) \ H !.!!-" cm δ H !.!-"mm

FIG. # C/79,/+9 0 :, P:,;, 0 :, C/789, – D:+ -.7 +álculo de la longitud Etil de la planc%a de +ompuerta

L-+980 9+: 0 :, P:,;, La 9orma 90' ???", establece una limitación adicional para el cálculo de la pantalla de compuerta. L4 ^H /.#- (']t)!.# RUC 20524958652 Oficinas: Av. Los Patriotas No.168- Apto.605 aran!a " #an i!$%& 'Li(a "P%r)* +a&&%r%s: Ca&&% ,in /it% . Lot%.63 n$stria Ca&aca - Ca&&ao +%&fono: 58'285*5118261758'285*4151552 - %n%$%&a 51 98100644 'vi&* 7 51'1*65024;1 'Oficina* - P%r)

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8onde Lu H Longitud Etil de placa de compuerta ' H 'adio de curatura de la planc%a t H &spesor de la planc%a a utilizar La planc%a a utilizar es de material : "-G espesor A.#"mmG ' H "!!! mm. &ntonces se tiene L4 ^H /.#- ("!!!]A.#")!.# Lu H *-".>> mm
D+9+68;+ 0 : 7+: <9+;,:  :, ;/789, &sta es la distribución de los perfiles erticales a lo largo de la pantalla.  continuación, mostramos la figura sacada del :anual de +ompuertas Bidráulicas el cual calcula la posición y los momentos nulos a lo largo de la placa pantalla de la compuerta 8iagrama de :omentos en la

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D+9+68;+ 0: M/9 F:;9 H 0: ,; 0 ,7H 0 :, 7:,;,.


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-.# $ "//.-# H /./7" +on este alor, acudimos a la abla que muestra la 9orma 90' ???" 7.A/./ determinando los alores de I5 y I55 . &sto es

&ntonces

0 (I55) H !./># ("//.-#) H #7.#7 mm

L5 H -*"."! N *(#7.#7) H #/7.** mm L55 H /!A.? mm


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D+9+68;+ 0: M/9 F:;9  :, P,9,::, #? CANTIDAD DE VIGAS $ORI%ONTALES EN LA COMPUERTA !mts) Vadm H &sfuerzo admisible de flexión del acero en :?/""mts) &l esfuerzo admisible de acuerdo a la abla -, del libro de +ompuertas Bidráulicas de 6erreira es Vadm H !.-? e H !.-? (*7? :!) $ (A.#")((*.>?/""$(*(/-?.-7)) !.# 9! H /.7 (+antidad de mínimas de igas). ./ e calcula el espesor mínimo de los perfiles %orizontales de la pantalla de +ompuerta. &spesores de lmas en Figas Borizontales RUC 20524958652 Oficinas: Av. Los Patriotas No.168- Apto.605 aran!a " #an i!$%& 'Li(a "P%r)* +a&&%r%s: Ca&&% ,in /it% . Lot%.63 n$stria Ca&aca - Ca&&ao +%&fono: 58'285*5118261758'285*4151552 - %n%$%&a 51 98100644 'vi&* 7 51'1*65024;1 'Oficina* - P%r)

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+on la ecuación (#=>) del libro de +ompuertas Bidráulicas de 6erreiras, se calcula espesor

8onde 6 H +arga %idrostática actuante en la iga, //>.7#> O9 (&mpuje de gua) %F H ltura del perfil seleccionado `adm H &sfuerzo admisible de corte calculado con la abla >, considerando como :aterial al : "- con y H *7?./ :- :7#> 9) $ (* (/!./-)(A->- 9$cm *) H !.#A>7 cm &s decir, los perfiles %orizontales deberán tener un espesor de alma ta H - mm (:ínimo). 5ncluyendo +.. (+orrosión dmisible de * mm). 4saremos perfiles &&, 7x 7 x "$? :aterial : =">.* &sfuerzo de +orte en lmas de

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D$7 H //>.7#> O9 $ 7 H *A"-7.*#9 Luego reemplazando en la &cuación, tendremos ` H ((F) $ (ta (%F N *(tm) ) H ((*A"-7.*#) $ (/ cm (/!.* cm= *(/ cm) H ` H "#?/.!/ 9$cm*  continuación, procedemos a calcular el factor de seguridad de di c%o perfil en base al esfuerzo admisible utilizando la abla #./ del Libro de +ompuertas Bidráulicas por
e sabe que el :aterial es acero : "- con  Y H *7?./ :- :
&. MECANISMO DE ACCIONAMIENTO :ecanismo de accionamiento formado por %usillo, tuerca, olante, columna de maniobra y reeníos. &l %usillo está construido en rosca trapecial 859 /!A y acero inoxidable 55 "/-L o acero 6=//* de diámetro en función de la longitud de forma que se limite la flec%a a /$/!!! de la longitud. Llea en su parte superior una zona mecanizada para acoplar el soporte del olante. e montan dos %usillos a partir de un RUC 20524958652 Oficinas: Av. Los Patriotas No.168- Apto.605 aran!a " #an i!$%& 'Li(a "P%r)* +a&&%r%s: Ca&&% ,in /it% . Lot%.63 n$stria Ca&aca - Ca&&ao +%&fono: 58'285*5118261758'285*4151552 - %n%$%&a 51 98100644 'vi&* 7 51'1*65024;1 'Oficina* - P%r)

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anc%o de compuerta superior a /,*! m. la tuerca se fabrica con material de bronce para el accionamiento del %usillo. &stas irán alojadas en la parte superior del tablero o del puente (columna) dependiendo de si el %usillo es ascendente o fijo. &l olante está construido en fundición, en @l irá alojado un soporte con rodamientos que mejora su maniobrabilidad.

C+-8,;+ 0 M;,+/ 0 ,;;+,/+9


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'. CALCULO DE LA FUER%A (UE SE RE(UIERE EMPLEAR PARA ELEVAR LA COMPUERTA PROYECTADA +ondiciones de 1peración • • • •

:ecanismo :anual +ompuerta umergida +ompuerta de cero $

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A./ +álculo del peso de la +ompuerta = ! mm (ltura de ello) M ""!mm (+anal de 6ondo) H /?! ! mm &spesor *!! mm = +alculamos el Folumen de la +ompuerta, F H ".!! x /.7>! x !.*! H !,??* :" = ! O3. A.* +álculo de la fuerza que se necesita para elear la +ompuerta
•

A."

6uerza Bidrostática %c% H ( % M L$*) H (/.A?! M /.?!!$*) H *.?? : y  H (/.?!! )(".!!) H #.7 :* 6B H (6)(hc7)(2) = (&&&)(5%)('%)($%4) = $'%$ 8. = $$$% 87>f 6uerza 6 para leantar la +ompuerta. 6 H D M fricción _ fricción H 6% (;) 6 H ?-- M /###>.?/(!./!) H *7*/.>?/ Og=f 8e acuerdo a lo ealuado con ambos criterios, determinamos el más crítico para el dise2o y$o selección del sistema de &leación de +ompuerta.


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CLIENTE : MQ METALURGICA SAC PROYECTO: DISEÑO DE COMPUERTA DESLIZANTE / CASA DE M AQUINA CENTRAL HIDROELECTRICA EL CARMEN

1). ANE*OS

,


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Diseño de Compuerta Hidraulica

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