Cimentación de Máquinas

UNI FICUNI - FICDAMS

CURSO DE DINMICA DE SUELOSEC 514 GEC 514 G

CIMENTACIN DE MAQUINARIAS

Denys Parra MurrugarraDenys Parra MurrugarraMSc, Profesor Asociado

OBJETIVOS DEL DISEO DE LA CIMENTACINOBJETIVOS DEL DISEO DE LA CIMENTACIN

1. Ante las solicitaciones estticas:

- Seguridad contra la falla por corte en el suelo

- Seguridad contra asentamientos

2. Ante solicitaciones dinmicas:

- Asegurar vibraciones tolerables para las personas

- Asegurar amplitudes que garantizan la operatividadde la maquinaria

- Evitar daos a las instalaciones adyacentes

TIPOS DE CIMENTACINTIPOS DE CIMENTACIN

BLOQUE DE CIMENTACIN CAJN DE CIMENTACINQ

MUROS DE CIMENTACIN PRTICO DE CIMENTACIN

Maquinarias Reciprocantes

Compuestas por los elementos que giran S Oelementos que giran alrededor de su eje y partes que tienen un

PISTON

mdB

movimiento traslacional (vertical). BIELA DE CONEXIN

m

LL2

Ejemplos: motores de combustin interna, motores diesel bombas

EJE

m

ma

tAL1

motores diesel, bombas con pistones.

Normalmente presentanCONTRAPESO

Ymb

mc

C

r2r3Normalmente presentan

fuerzas secundarias, al doble de la frecuencia de

iX

r1r3

operacin.Mecanismo de un Cilindro de

Reciprocante

Maquinarias Rotatorias

Compuestas por elementos giratorios alrededor de sus Pogiratorios alrededor de sus propios ejes.

Ejemplos: turbinas m cEjemplos: turbinas, ventiladores industriales, motores elctricos.

mc

m

Po Po

2Posent

mc

mc

m

m

cc

Osciladores Rotatorios de Eje Simple y Doble

Maquinarias de Impacto

Producen impactos fuertes sobre la cimentacin lasobre la cimentacin, la carga dinmica es intermitente.

Martillo

Marco

Ejemplos: prensas, selladoras martillos de

YunqueJunta

Bloque deselladoras, martillos de forja de metales.

Bloque deCimentacin

Marco montado sobre la cimentacin

Maquinarias de Accin Mixta Rotatoria y de Impacto

C Caja de engranajesCompuestas por un conjunto de martillos

Caja de engranajesCasco

de martillos rotatorios.

Ej lEjemplos: molinos mecnicos,

Pin,

molienda de roca, etc.

Motor

Molino de Accin Mixta: Rotatoria y de Impacto

LIMITACIONES DE NIVELES VIBRACIONALESLIMITACIONES DE NIVELES VIBRACIONALES

- Efectos sobre las Estructuras

- Efectos sobre las Maquinarias

- Efectos sobre las Personas

CIMENTACIN DE MAQUINARIACIMENTACIN DE MAQUINARIA

Fosent

Focost

moro2 = Fo

romo

Focost

Estructurasensible

LIMITES DE AMPLITUD DE DESPLAZAMIENTO VIBRACIONAL ENLIMITES DE AMPLITUD DE DESPLAZAMIENTO VIBRACIONAL EN ESTRUCTURAS ANTE EXPLOSIONES (Teichmann y Westwater, 1957)

AMPLITUD PERMISIBLEDESCRIPCIN AMPLITUD PERMISIBLE(mm)

Estructuras ingenieriles comunes 0.76

Propiedades aisladas

Propiedades cercanas entre s

0.40

0.20

Estructuras de gran envergadura 0.10

AMPLITUDES DE VELOCIDAD Y ESTADOS DE SERVICIO ENAMPLITUDES DE VELOCIDAD Y ESTADOS DE SERVICIO EN MAQUINARIAS ROTATORIAS (Baxter y Bernhard, 1967)

VELOCIDAD HORIZONTAL OPERATIVIDADMXIMA(mm/s)

OPERATIVIDAD

Menor que 0.12 Extremadamente tranquilae o que 00.12 - 0.250.25 - 0.500 50 1 00

t e ada e te t a qu aMuy tranquilaMuy buena

Buena0.50 - 1.001.00 - 2.002.00 - 4.00

BuenaRegular

Ligeramente irregular8.00 - 16.00

Mayor que 16.00Irregular

Muy irregular

AMPLITUDES DE VELOCIDAD Y DESPLAZAMIENTO PARA MQUINA VIBRATORIAS

+ Reither y Meister (1931) (vibraciones peridicas)

MQUINA VIBRATORIAS

y ( ) ( )- Rausch (1943) (vibraciones peridicas) Crandell (1949) (vibraciones por explosiones)

0.1

0.05

500

100

VIBRACIONESDAINAS

,

I

n

/

s

0.02

0 01

100

MOLESTAS

p

l

a

z

a

m

i

e

n

t

o

d

M

x

i

m

a

-

m

m

/ 0.01

0.005

0 002

10

CLARAMENTE PERCEPTIBLES

POCO PERCEPTIBLESm

p

l

i

t

u

d

d

e

d

e

s

p

V

e

l

o

c

i

d

a

d 0.002

0.001

0.0005

1

IMPERCEPTIBLES

A

m

0.0002

0.0001

0.1

0.05

Frecuencia rpmFrecuencia hertz

0.0001100 200 500 2000 5000 100001 10 100

COMPONENTES DEL SISTEMA VIBRATORIOCOMPONENTES DEL SISTEMA VIBRATORIO

1. Inercia al Movimiento del Sistema

Inercia traslacional (masa)

Inercias rotacionales (momentos de inercia demasas)

2 Rigidez del Medio2. Rigidez del Medio

Representan la capacidad del suelo para resistir lascargas que trasmite la cimentacin. Se supone quecargas que trasmite la cimentacin. Se supone queun bloque masivo de cimentacin tiene rigidezinfinita.

COMPONENTES DEL SISTEMA VIBRATORIOCOMPONENTES DEL SISTEMA VIBRATORIO

3 Capacidad de Amortiguamiento3. Capacidad de Amortiguamiento

Asumido como de tipo viscoso. Se presenta porla resistencia a la friccin en la interfase de lala resistencia a la friccin en la interfase de lasuperficie de contacto y produce la disipacin dela energa de las vibraciones a travs y en eli i d l diinterior del medio

4. Amplitud y Frecuencia de la Fuerza Exitadora

Representadas como fuerzas concentradas en elep ese adas co o ue as co ce adas e ecentroide de los componentes vibratorios. Sedistinguen 6 modos de vibracin: 3 traslacionales

3 rotacionalesy 3 rotacionales.

COMPONENTES DEL SISTEMA VIBRATORIO

Z

FFZ MZ

MYMXFX FY

LLZ2

LZ1

LY

LX

XY

MODELOS ANALGICOS EQUIVALENTESMODELOS ANALGICOS EQUIVALENTES

CIMENTACIN REAL SISTEMA EQUIVALENTE

ExcitacinVertical

Bloque rgido conmasa equivalenteq

Amortiguador Resorte



ExcitacinHorizontal

Bloque con masa y momentode inercia equivalenteq

AmortiguadorHorizontal

ResorteHorizontal

ResorteRotacional

AmortiguadorRotacinal



Bloque con momento de inerciaTorsional equivalente

ExcitacinTorsional q

VISTA EN PLANTAResorteTorsional Amortiguador

T i lTorsional

SISTEMA MQUINA BLOQUE SUELOSISTEMA: MQUINA - BLOQUE - SUELO

Z

MY

CG m1FX

Zm

Xm2Y Z

2

mx + Dx + kx = Po sen t .


m = m1 + m2 (masa del suelo se desprecia)

mx + Dx + kx = Po sen t .

1 2 ( asa de sue o se desp ec a)

D = amortiguamiento del sistema para cada modo devibracinb ac

k = rigidez del sistema para cada modo de vibracin

id = conocido = frecuencia natural del sistema (m-b-s) =

mk

Z = distancia del C.G de la mquina a la base delbloque de cimentacin

m


Resumen de Parmetros

Direccin

Vertical

Xo

zPo

Fz

K

Kz

D

Dz

Horizontal

C b

x

Fx

M F

Kx

K

Dx

DCabeceo

Torsional

RT

My + Fx z

Mz

KR

KT

DR

DTT


FKF= DLF

DLF EspectroDLF Espectro

AMPLITUD DIMENSIONAL DEL MOVIMIENTO


Parmetros del sistema

W = peso del bloque + mquinaW peso del bloque mquina

ro = radio de la cimentacin circular

radio equivalente de la cimentacinrectangular

Ix = Momento de inercia de la masa, modo decabeceo

I = Momento de inercia de masa, modo torsional


Parmetros del suelo

G = mdulo de corteG mdulo de corte

= peso especfico = densidad = coef. de Poisson coef. de Poisson

SISTEMA MQUINA BLOQUE SUELOSISTEMA: MQUINA - BLOQUE - SUELOCurva Normalizada del Mdulo

1.0

e

,

0 6

0.8

f

.

c

o

r

t

a

n

t

e

x

i

m

o

Rango de valores0.4

0.6

a

n

t

e

a

d

e

f

o

r

t

a

n

t

e

m

0.2

o

d

u

l

o

c

o

r

t

a

M

o

d

u

l

o

c

o

10-4 10-3 10-2 10-1 1

0Mo

Deformacin Cortante, (%)


Profundidad de empotramiento

h = 0h

aislamiento

h = 0

CONSTANTES DE RESORTE EQUIVALENTES PARACONSTANTES DE RESORTE EQUIVALENTES PARA CIMENTACIONES RGIDAS (Whitman y Richart, 1967)

Modo deVibracin

CimentacinCircular

CimentacinRectangular

Vertical zoz nGrk = 1

4zzz n.BL

Gk = 1

Horizontal xo

x nGr)(k

=87

132xxx n.BLG)(k += 12

Cabeceo = n)(Grk o138 3 = n.BL

Gk 21

Torsional No existe (use ro)

)(13

316 3oGrk =

CONSTANTES DE FORMA PARA CIMENTACIONESCONSTANTES DE FORMA PARA CIMENTACIONESRECTANGULARES (Richart et al, 1970)

3 1.5

2 1.0

z

z

1 0 5

h

o

r r1

0

0.5

0

h00.1 0.5 1 5 10

0

L/B

COEFICIENTES DE EMPOTRAMIENTO PARA CONSTANTES DE RESORTES (Whitman 1972)DE RESORTES (Whitman, 1972)

Modo deVib i

ro para CimentacinR t l

CoeficienteVibracin Rectangular

Vertical /BL )r/h)((.n oz += 1601

Horizontal

/BL

/BL

)r/h)((.n oz + 1601

)r/h)((n += 25501

Cabeceo

/BL

4 3 3/BL

)r/h)((.n ox += 25501

1211 )r/h)((.n o ++=Cabeceo

Torsional No existe

3/BL

4 22 6/)LB(BL

3220 )r/h)((. o

4 22 6+ /)LB(BLNota: h = altura o profundidad de empotramiento

L = dimensin horizontal perpendicular al eje de cabeceojB = la otra dimensin horizontalro= radio equivalente

RELACIN DE AMORTIGUAMIENTO EQUIVALENTE PARARELACIN DE AMORTIGUAMIENTO EQUIVALENTE PARA CIMENTACIONES RGIDAS (Richart, Hall y Woods, 1970)

Modo deVibracin

Relacin de Masa(o de Inercia)

Relacin deAmortiguamiento (D)

Vertical 31

oz r

W)(B =

4 zzz B

.D = 4250

Horizontal 313287

ox r

W)()(B

=x

xx B

.D = 2880

Cabeceo 5813

orI)(B

=

x

+=

Bn)Bn(.

D1

150

Torsional

or

5or

IB =

)(

+= B

.D21500

EFECTO DE LA PROFUNDIDAD DE EMPOTRAMIENTO ENEFECTO DE LA PROFUNDIDAD DE EMPOTRAMIENTO EN LA RELACIN DE AMORTIGUAMIENTO (Whitman, 1972)

Modo deVibracin

Factor de Empotramiento en D

Vertical oz n

rh)(. +

=1911

zz n

rh)(. + 2911

Horizontalx

ox n

r=

( ) ( )/h)(/h)( 3Cabeceo

( ) ( )

++=

nr/h)(.r/h)(. oo

32601701

RESUMENRESUMENh = z

CG

FX

Z

v = xX

RESUMENRESUMEN

zF DLFk

zFR

x=

x = zz = x

RESUMENRESUMEN

Vibracin Vertical

Kz, Bz, Dz, wnz

Primera Frecuencia Segunda Frecuencia

DLF1 DLF2z1 = Fz1.DLF1 z2 = Fz2.DLF2

Kz Kz

Total z = z1 + z2

RESUMENRESUMEN

Vibracin Horizontal

Kx, Bx, Dx, wnx


DLF1 DLF2x1 = Fx1.DLF1 x2 = Fx2.DLF2

Kx Kx

Total x = x1 + x2

RESUMENRESUMEN

Vibracin por Cabeceo

K, B, D, wn, I


DLF1 DLF2 = Fx1 z DLF1 z1 = Fx2 z DLF2 z2{ {K x1 K x2{ {Total z = z1 + z2 x = x1 + x2

RESUMENRESUMEN

Finalmente

V = z + zVerificar si estn dentro del} Verificar si estn dentro del rango permisible

H = + }

H = x + x

+ Reither y Meister (1931) (vibraciones peridicas)- Rausch (1943) (vibraciones peridicas)

0.1

0.05

Rausch (1943) (vibraciones peridicas) Crandell (1949) (vibraciones por explosiones)

0.02

,

I

n

0.01

0.005

n

t

o

0.002

0.001

d

e

d

e

s

p

l

a

z

a

m

i

e

0.0005

A

m

p

l

i

t

u

d

d

0.0002

0.0001100 200 500 2000 5000 10000

F iFrecuencia rpm

ANLISIS DE CIMENTACIN DE MAQUINARIASANLISIS DE CIMENTACIN DE MAQUINARIAS

1 Estimar la magnitud y caractersticas de la carga1. Estimar la magnitud y caractersticas de la cargadinmica

- Maquinarias rotativas: turbinas, compresores, q pbombas,etc.

- Maquinarias reciprocantes: compresores i t t di l t dreciprocantes, motores diesel, motores de

combustin interna, etc.

- Maquinarias con fuerzas rotativas e impulsivas:Maquinarias con fuerzas rotativas e impulsivas: chancadores, prensas, etc.

2. Determinar el perfil estratigrfico del terreno ypropiedades de los suelos (G, )

ANLISIS DE CIMENTACIN DE MAQUINARIASANLISIS DE CIMENTACIN DE MAQUINARIAS

3. Seleccionar el tipo y dimensiones de la cimentacin y el criterio de amplitud permisible

4. Realizar el anlisis de respuesta dinmica de la cimentacin

5. Verificar si los valores calculados de movimiento5. Verificar si los valores calculados de movimientocumplen los criterios adoptados en caso contrariorepetir el proceso hasta que cumplan

INFORMACIN BSICA PARA EL ANLIS Y DISEOINFORMACIN BSICA PARA EL ANLIS Y DISEO

1. Caractersticas de la Maquinaria

- Elevacin y secciones de la maquinaria y elementosauxiliaresauxiliares

- Funciones

P bi i d l t d d d- Peso y ubicacin del centro de gravedad

- Velocidad de operacin

M it d di i d l f di i- Magnitud y direccin de las fuerzas dinmicas

INFORMACIN BSICA PARA EL ANLIS Y DISEOINFORMACIN BSICA PARA EL ANLIS Y DISEO

2. Caractersticas del Suelo

- Perfil del suelo

- Profundidad del nivel fretico

- Propiedades dinmicas del suelo y capacidad defi b t icarga, con fines comprobatorios

3 C di i E t3. Condiciones Externas

- Cercana a fuentes exteriores de vibracin intensa,entorno ssmico etcentorno ssmico, etc.

Produccin de Motores Diesel

Montaje de Motores Diesel

Extensores de Gas de Proceso

Compresores de Gas de Proceso

Turbinas Industriales de Vapor

Turbinas Industriales de Gas

Compresores Entubados + Turbina de Propulsin a Gas

Turbina Industrial de Gas

ANLISIS DINMICO DE VIBRACIN

DE MAQUINARIAS

CENTRAL TRMICA VENTANILLA

ANLISIS DINMICO CENTRAL TRMICA VENTANILLAANLISIS DINMICO-CENTRAL TRMICA VENTANILLA

Investigaciones Geotcnicas

- Calicatas

- Ensayos SPT

- Ensayos de Placa Cclicos

- Refraccin Ssmica

PERFIL ESTRATIGRFICOPERFIL ESTRATIGRFICO

RESULTADOS DEL ENSAYO DE CARGARESULTADOS DEL ENSAYO DE CARGA

ANLISIS DINMICO CENTRAL TRMICA VENTANILLAANLISIS DINMICO-CENTRAL TRMICA VENTANILLA

Datos del Suelo

- Arena pobremente graduada, arena limosa

- Clasificacin: SP, SM

- Compacidad: Densa

- Peso especfico: 1.6 T/m3 (16 kN/m3)

- Mdulo de corte: 20,000 T/m2 (200 MN/m2)

- Coeficiente de Poisson: 0.35

- Presencia de Sales Solubles en altas proporcionescon efecto cementante en la arena

ANLISIS DINMICO-CENTRAL TRMICA VENTANILLAANLISIS DINMICO CENTRAL TRMICA VENTANILLA

Datos de la Mquina

- Tipo: Centrfuga

- Peso: 331.37 T

- Altura del CG a base: 4.22 m

- Frecuencia primaria: 3600 rpm

- Fuerza vertical: 86.23 T

- Fuerza horiz. transv.: 86.23 T

- Momento cabeceo: 363.89 T-m

- Frecuencias crticas (encendido)( )

- f1: 1126 rpm

- f2: 1335 rpmf2: 1335 rpm

ANLISIS DINMICO-CENTRAL TRMICA VENTANILLA

Propiedades de Energa Mquina-Cimentacin

ANLISIS DINMICO CENTRAL TRMICA VENTANILLA

- Peso total: 1395.29 T

- Inercia rotacional eje longitudinal: 4099,808 T-mj g ,

- Dimensiones base equivalentes: 8.7 x 27 m

- Profundidad de empotramiento: 1.3 mProfundidad de empotramiento: 1.3 m

RESULTADOSRESULTADOS

- Movimiento mximo desacoplado: 0.46 x 10-5 m

- Movimiento mximo acoplado: 0 82 x 10-5 m- Movimiento mximo acoplado: 0.82 x 10 m

- Movimiento permisible: 7.60 x 10-5 m

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