Efecto de Las Vibraciones de Equipos Rotatorios en El Desempeño Por Fatiga de Pedestales de Concreto Reforzado

Puerto Vallarta, Vallarta, Jalisco, Del 12 al 15 de Noviembre Noviembre de 2014

Efecto de las vibraciones de equipos rotatorios en el desempeño por fatiga de pedestales de concreto reforzado Dr. Alberto Dr. Alberto López López López López M.I. David Porras Navarro González M.C. Erik Rosado Tamari Tamarizz Mayo 2015

Puerto Vallarta, Vallarta, Jalisco, Del 12 al 15 de Noviembre Noviembre de 2014

Índice Introducción Motivación Teorías de estimación de vida por fatig fatiga: a: Altos y Bajos Ciclos Estimación de daño por fatiga Metodología de análisis para la estimación de fatiga Ejemplo de aplicación Conclusiones

INTRODUCCIÓN Puerto Vallarta, Jalisco, Del 12 al 15 de Noviembre de 2014

FATIGA EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO ‘La fatiga es el proceso de cambio estructural permanente, progresivo y localizado que ocurre en un material sujeto a tensiones y deformaciones VARIABLES en algún punto o puntos y que produce grietas o la fractura completa tras un número suficiente de fluctuaciones (ASTM)’

MOTIVACIÓN Puerto Vallarta, Jalisco, Del 12 al 15 de Noviembre de 2014

VIBRACIONES EN SOPORTES DE EQUIPOS ROTATORIOS

96% de carga (mm/s)

100% de carga (mm/s)

Puerto Vallarta, Jalisco, Del 12 al 15 de Noviembre de 2014

TEORÍAS DE ESTIMACIÓN DE VIDA POR FATIGA

FATIGA DE ALTOS CICLOS En este caso, la fatiga ocurre para un número de ciclos de carga entre los 104 y 105 y los esfuerzos de trabajo suelen ser menores a los de rotura del material. Se basa en el criterio Esfuerzo-Vida.

Ecuación de Esfuerzo-Vida o Curvas S-N

∆ =  =  2  2


TEORÍAS DE ESTIMACIÓN DE VIDA POR FATIGA

FATIGA DE BAJOS CICLOS La fatiga de bajos ciclos ocurre cuando el número de ciclos de carga es relativamente bajo y el valor del esfuerzo de trabajo son importantes. Se puede presentar para repeticiones de carga menores a los 1,000 ciclos, como es el caso, por ejemplo, de cargas sísmicas. Con frecuencia aparecen deformaciones plásticas en el material lo que induce un comportamiento no lineal. La fatiga de bajos ciclos se encuentra controlada por el nivel de deformaciones más que por el del esfuerzo. Se basa en el criterio Deformación-Vida.

Ecuación de Coffin-Masson

∆ =  2    2

Ecuación de Deformación-Vida

∆ =  2  +  2  2 


TEORÍAS DE ESTIMACIÓN DE VIDA POR FATIGA Representación gr áfica del cri terio Esfuerzo-Vida

Representación gr áfica del crit erio Deformación-Vida


ESTIMACIÓN DE DAÑO POR FATIGA Daño por fatiga para una condición

Miner (1945) propuso que el daño por fatiga, d i , se puede calcular como el cociente de los ciclos de carga (ni), bajo cierta condición de operación i, entre los ciclos de vida del componente antes de la rotura ( N f ):

  = 

Daño total acumulado Para determinar el daño total acumulado D en un componente expuesto a diferentes escenarios de carga se utiliza la regla de acumulación de daño o regla de Palmgren-Miner (Miner,1945):



 = � =1

La falla en el componente ocurre cuando la suma de los daños para cada condición de operación alcanza la vida por fatiga del material, es decir, D resulta igual o mayor que la unidad.

METODOLOGÍA DE ANALISIS PARA Puerto Vallarta, Jalisco, DelLA 12 al ESTIMACIÓN 15 de Noviembre de 2014 DE FATIGA


EJEMPLO DE APLICACIÓN ANÁLISIS DE FATIGA DE ALTOS CICLOS PARA UN PEDESTAL DE CONCRETO REFORZADO


Propiedades de fatiga del con creto Recientemente, autores como Lü et al (Lü, et al.,2004), han propuesto una forma de evaluar el esfuerzo por fatiga bajo esfuerzos de tensión directa y de esfuerzos de compresión-tensión alternados, para elementos de concreto simple, lo cual se expresa mediante las siguientes ecuaciones:

    log  = 12.02 − 10.64 4.39 −  ´  + 5.17  log  = 16.67 − 16.76    = -27.47 MPa (280 kg/cm )  = 2.10 MPa (21.4 kg/cm ) 2

2

Para compresión alternados Para tensión directa

–

tensión


Curvas S–N Compresión – Tensión


Curvas S–N Tensión


Curvas S–N considerando acero de refuerzo para resistencia a Tensión de 10.5 MPa


Escenario de carga estudiado Cargas Oscilatorias

Cargas Permanentes s s e e a l l v i a s s a o o a n v n a o s t o z e r z i a r r i g e c p e c r e a u a a u e u t t i c F m F i v d v e a a r r d g g

Caso de Operación normal

X

X

e e e d e d d n s u s í o s ó a q a c a i c z r r z r a z r c i e o e v e f r t u u u F F F

X

X

X

o e l c a n n a i l a m b o s n e D

X

Para el caso de carga de desbalance nominal, el número de ciclos expuesto en un año de operación normal se propone para este ejemplo igual a 946,080,000 ciclos.


En las siguientes figuras, se muestran las distribuciones de resistencia a la fatiga (en número de ciclos) y daño, en la estructura de concreto, respectivamente, para el escenario planteado.



De lo resultados obtenidos se observa que los 250.1 ciclos equivalen a 250 años de capacidad de la estructura de concreto reforzado para continuar operando. Por otro, lado el daño acumulado en la estructura fue de 0.0039, el cual representa un consumo de vida útil del 0.4% en un año.

ESCENARIOS PARA EVALUACIÓN DEL DAÑO ACUMULADO Y CONSUMO DE VIDA ÚTIL


Escenarios de carga

Normales

Excepcionales

Estáticas

Gravitacionales

Torque

Vacío

Fricción

Desbalance nominal

Oscilatorias

Desbalance Accidental

Arranque y Paro

Rechazo de Carga

Corto circuito

Sismo


EVALUACIÓN DE FATIGA DEL PEDESTAL Se considera el daño causado por la operación normal del turbogenerador a lo largo de un período de 50 años, pero incluyendo un sólo evento de cada uno de los casos excepcionales de carga y bajo los efectos sísmicos del espectro OBE. Casos de Carga

Ciclos de Carga

Consumo de Vida Útil [%]

Oscilatorios

+ +

Arranque y paro

Permanentes

+ Gravitacionales Vacío Torque Fricción

47,304,000,000

19.99

GE

1,000,000

4.014E-04

LPS

1,000,000

6.850E-05

500,000

1.783E-04

Desbalance nominal

Rechazo de carga Excepcionales

+ + + +

Desbalance accidental Corto circuito Sismo OBE

Combinación Casos de Carga (50 años de operación)

GE

1,000

1.323E-04

LP1

1,000

2.254E-05

1,000

5.451E-07

90

0.5042

19.99


COMBINACIÓN DE CASOS DE CARGAS PERMANENTES, OSCILATORIAS Y EXCEPCIONALES DURANTE 50 AÑOS DE OPERACIÓN ZONAS CRÍTICAS DE DAÑO POR FATIGA

CONTORNO GLOBAL DE DAÑO POR FATIGA


CONCLUSIONES

Se definieron curvas de Esfuerzo-Vida, S-N, para evaluar el comportamiento ante fatiga de elementos estructurales de concreto reforzado. Estas curvas se integraron a una metodología para estimar el consumo de vida útil y se aplicó a un caso de estudio con ayuda del módulo Design Life nCode para fatiga del código ANSYS. A partir de los resultados obtenidos se observa esfuerzo alternante en la condición de desbalance conduce a un daño acumulado importante, aunque el esfuerzos es bajo comparado con la resistencia elementos estructurales.

que el nominal nivel de de los


CONCLUSIONES

Es importante considerar que el daño acumulado crecerá si se presentan otros escenarios de carga como serían, por ejemplo, un desbalance accidental en las turbinas y/o el efecto sísmico. Con base en la metodología propuesta y empleada para el ejemplo de aplicación, es posible establecer las zonas críticas propensas a falla por fatiga y su ubicación para cualquier estructura de concreto reforzado sujeta a diferentes condiciones de vibración. Esto permitiría definir acciones preventivas que reduzcan daños eventuales.

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