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“DISEÑO DE UNA FUNDACIÓN DIRECTA PARA UN EQUIPO VIBRATORIO TIPO CENTRÍFUGO, UTILIZANDO EL MÉTODO DEL SEMIESPACIO ELÁSTICO, PARA LA PLANTA DE SEPARACIÓN DE LÍQUIDOS RÍO GRANDE, DEPARTAMENTO SANTA CRUZ,

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by

Giolianny Hidalgo

on 3 June 2013

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Transcript of “DISEÑO DE UNA FUNDACIÓN DIRECTA PARA UN EQUIPO VIBRATORIO TIPO CENTRÍFUGO, UTILIZANDO EL MÉTODO DEL SEMIESPACIO ELÁSTICO, PARA LA PLANTA DE SEPARACIÓN DE LÍQUIDOS RÍO GRANDE, DEPARTAMENTO SANTA CRUZ,

UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL “DISEÑO DE UNA FUNDACIÓN DIRECTA PARA UN EQUIPO VIBRATORIO TIPO CENTRÍFUGO, UTILIZANDO EL MÉTODO DEL SEMIESPACIO ELÁSTICO, PARA LA PLANTA DE SEPARACIÓN DE LÍQUIDOS RÍO GRANDE, DEPARTAMENTO SANTA CRUZ, BOLIVIA”.
Realizado por:

Br. Giolianny Carolina Hidalgo Chávez.
C.I. 19.118.820

Trabajo de Grado Presentado como Requisito Parcial para Optar al Título de
INGENIERO CIVIL


Barcelona, Marzo del 2013 PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBJETIVOS INTRODUCCIÓN BOLIVIA Diseñar una fundación directa para un equipo vibratorio tipo centrífugo, utilizando el método del semiespacio elástico, para la Planta de Separación de Líquidos Río Grande, departamento Santa Cruz, Bolivia. • Describir el Proceso de compresión de Gas Residual de la Planta de Separación de Líquidos Río Grande. OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Utilizar los procedimientos de diseño de la empresa PENTECH INGENIEROS 05, C.A. para la realización de fundaciones de equipos rotativos. • Determinar la geometría mínima y el tipo de fundación necesaria para cumplir con las recomendaciones del comité del Instituto Americano de Concreto (ACI) 351.3 R-04. • Generar una hoja de cálculo para el diseño de fundaciones de equipos con vibración, basada en el método del semiespacio elástico. • Realizar el plano de la fundación con la geometría final, detalle del anclaje del sistema y cómputos métricos. Las plantas industriales utilizan los equipos dinámicos para llevar a cabo sus procesos.

Últimamente el uso de estos equipos son cada vez más frecuentas. ¿ Qué es un equipo dinámico? CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Según su frecuencia de operación, los equipos crean la necesidad de ser sujetos a fundaciones. Elementos intermedios Soportan cargas estructurales Minimizan la vibración y las fallas vibratorias Cargas Estáticas Cargas Dinámicas Análisis Dinámico El análisis dinámico se aplica, utilizando un modelo matemático que sea capaz de determinar la respuesta dinámica. Diseño de una fundación para un equipo dinámico ¿Cómo realizar el análisis dinámico? Las Fundaciones PLANTA DE SEPARACIÓN DE LÍQUIDOS RÍO GRANDE La planta contará con una estación de compresión de gas residual encargada de elevar la presión del gas mediante compresores para maximizar la capacidad de transporte de los gasoductos. Para el diseño del modelo matemático, se considerará el equipo como una máquina vibratoria de tipo centrífugo, apoyada sobre una fundación directa tipo bloque. Se trata fundamentalmente de una planta de recuperación de gas en sus diversas formas, a través, del proceso criogénico de turbo expansión. Empresa encargada de formular los requerimientos necesarios, para el cálculo y diseño de las fundaciones del proyecto Río Grande. FUNDACIONES PROFUNDAS FUNDACIONES SUPERFICIALES Ó DIRECTAS TIPOS DE FUNDACIONES Fundaciones que se encuentran a una profundidad de dos metros. Una manera de identificar una fundación superficial es que su profundidad no debe ser mayor a cuatro veces la menor distancia medida en planta. TIPO BLOQUE BLOQUE COMBINADA LOSA DE FUNDACIÓN TIPO MESA TIPO DE FUNDACIONES DIRECTAS CLASIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS VIBRATORIOS SEGÚN SU MECANISMO DE OPERACIÓN EQUIPOS RECIPROCANTES EQUIPOS DE IMPACTO EQUIPOS CENTRÍFUGOS BASES TEÓRICAS MODELO DEL SEMIESPACIO ELÁSTICO Son martillos forjadores y prensas de forjado de metal, los cuales operan con impactos regulados o golpes en diferentes partes del equipo, la carga del golpe es frecuentemente transmitida al sistema de fundación del equipo siendo este un factor importante en el diseño. Consiste en un pistón que se mueve dentro de un cilindro, una barra conectora y un cigüeñal; el cigüeñal gira a una velocidad angular constante Están caracterizados por el movimiento rotatorio de impulsores o rotores. Entre estos se pueden encontrar turbinas de gas y vapor, turbo-bombas y compresores rotativos. MODELO MATEMÁTICO Se trata fundamentalmente de una planta de recuperación de gas en sus distintas formas, mediante el proceso criogénico de turbo expansión. Para el diseño del modelo matemático, se considerará el equipo como una máquina vibratoria de tipo centrífugo, apoyada sobre una fundación directa tipo bloque. La empresa PENTECH INGENIEROS, 05. C.A, es la encargada de formular los requerimientos necesarios, para el cálculo y diseño de las fundaciones de los Turbocompresores de la Planta de Separación de Líquidos Río Grande. Sistema Real Sistema Físico Idealizado Suelo (Peso específico s, G, Módulo de Poisson)
Fundación (Peso específico c, L, B, h)
Equipo (W, w) Masa concentrada
Resorte (k)
Amortiguador (c) k m k m k m = -K . x Fuerza Recuperadora elástica F = -k . x La fuerza recuperadora elástica es directamente proporcional, a la deformación sufrida, pero opuesta en signo Ley de Hooke Aplicando la segunda ley de Newton al resorte tenemos: F = m . a -k . x = m . a Ley de Newton Supone que una zapata circular se apoya en la superficie de un semiespacio elástico (el suelo) que se extiende en una profundidad infinita, siendo este homogéneo e isotrópico, y cuyas propiedades de esfuerzo-deformación pueden ser definidas por dos constantes elásticas, que generalmente son el Módulo de Corte “G” y el Coeficiente de Poisson. PLANTA DE SEPARACIÓN DE LÍQUIDOS RÍO GRANDE Descripción del proceso de operación Turbocompresor de gas residual K-511 SKID EQUIPOS ACCESORIOS DISEÑO DE LA FUNDACIÓN Es necesario conocer el funcionamiento de un equipo a fundar para saber el movimiento o el tipo de funcionamiento que estos realizan y así determinar las fuerzas generadas por el mismo, cuidando el buen comportamiento dinámico del sistema. Predimensionado Se pre-dimensionó la fundación en planta dependiendo de las características del equipo. Las dimensiones mínimas del bloque de fundación se estimaron como el mayor de los siguientes valores: Recomendaciones del A.C.I a) El peso del bloque de fundación deberá ser al menos 3 veces el peso del equipo (en máquinas centrífugas). b) El ancho mínimo debe ser 1.5 veces la distancia vertical desde el eje de la máquina hasta el fondo de la fundación. Cuando el valor del ancho cambia también lo hace el peso de la fundación por esto es necesario ajustar nuevamente el valor de la altura, para optimizar el material utilizado. Para finalizar con las recomendaciones del Instituto Americano de Concreto y asegurar la condición de bloque rígido se chequea la rigidez de la fundación. Se chequea que las excentricidades entre la máquina y la fundación no sean mayores al 5% con el fin de cuidar la vibración excesiva, tomando como origen de coordenadas los especificados en el artículo 5.1.1.3 de este proyecto. Análisis Estático Chequeo de la estabilidad Combinaciones de Carga En los casos de carga solo se toma el valor de carga permanente, ya que el equipo no varía en operación al no ser un equipo que trabaja con fluido según los procedimientos de la empresa, ni tendrá presencia de carga viva. Análisis Dinámico Fundación TK-511 Hoja de Cálculo Antes de comenzar con el diseño y cálculo de una fundación para un equipo dinámico es necesario contar con una serie de información y documentos bases que fijarán cierta característica al diseño. P.O.S – N.P.T-bg = hft (Altura de la fundación expuesta) (hft ×80%)/(20%) =hftb (Altura de la fundación embebida) Cotas suministradas por la disciplina de mecánica Suministrado por la disciplina de mecánica en el Plot Plan, marca el principio del diseño de la fundación, ya que este proporciona las cotas en el terreno que permite conocer la altura de la fundación expuesta. Vendor Print Bases y criterios de diseño civil Estudio de suelos CONCLUSIONES El método del semiespacio elástico no perdió precisión en este diseño ya que la relación entre la base y la longitud fue menor a dos en el cálculo del radio equivalente. Con la realización del análisis estático se comprobó que la fundación es estable al volcamiento ya que el momento estabilizante es mayor al momento volcador, y se dice que es estable al deslizamiento ya que las fuerzas resistentes al deslizamiento fueron mayores a las fuerzas externas debido a sismo y viento aplicados a la fundación; por último se comprobó que la fundación superó la verificación de la presión actuante ya que todas las cargas y presiones aplicadas a la fundación no superaron el esfuerzo admisible del suelo. Ninguna de las excentricidades en planta entre el eje de la fundación y el eje de la máquina superaron el valor del 5% entre ellas. Debido a esto el sistema se comportará de una manera más balanceada al estar sus centros de gravedad relativamente cerca. Al realizar la suma de la respuesta dinámica y estática se determinó que el esfuerzo total transmitido fue menor al 75% del esfuerzo admisible del suelo, es por esto que se mantuvieron las dimensiones calculadas en la tabla 13 de este proyecto. Para realizar un diseño más seguro se decidió agregar excentricidad al equipo según su frecuencia de operación utilizando la tabla de excentricidades, ya que el fabricante no proporcionó ningún valor de excentricidad por ser un equipo balanceado. De esta manera se está aportando seguridad al diseño previendo posibles excentricidades producidas por el desgaste o desalineación de los ejes debido al movimiento de operación, que causarían futuras vibraciones excesivas o desbalanceo. Al Verificar las dimensiones obtenidas en el pre dimensionado a través de las recomendaciones del Instituto Americano de Concreto ACI 351.3 R-04 se proporcionó estabilidad suficiente a la fundación, de manera de aligerar las vibraciones causadas por el equipo. Las características geométricas de la fundación son definidas por el equipo a cimentar, tomando en cuenta que el equipo poseía una forma geométrica rectangular y con skid, se eligió como fundación un bloque rígido por ser el que más se adapta al tipo de forma de la máquina, se puede concluir que las mínimas dimensiones que debe tener un bloque de fundación son proporcionadas por el skid del equipo. La hoja de cálculo programada para el diseño de las fundaciones sometidas a vibración de equipos centrífugos se adapta a las exigencias establecidas en las bases y criterios del proyecto Planta de Separación de Líquidos Río Grande, así como también a los procedimientos de la empresa Pentech Ingenieros, 0.5 C.A, ofreciendo una clara visualización del proceso de cálculo, con una interfaz cómoda y sencilla. RECOMENDACIONES Para diseños de bases rectangulares en donde la relación de base y longitud sea mayor a dos se recomienda utilizar otro método de cálculo ya que con el método del semiespacio elástico se va perdiendo precisión a medida que la proporción aumenta. Se recomienda que al chequear que el peso de la fundación sea mayor o igual a tres veces el peso del equipo, este sea lo más cercano a tres posible utilizando el chequeo tantas veces cambien las dimensiones de la fundación, de esta manera se estará optimizando el uso del material, realizando diseños seguros con un buen rendimientos económico. En el caso de no poseer suficiente información del equipo o no identificar el eje de rotación ni sus partes, se recomienda dirigirse a un miembro de la disciplina de equipos, o a un especialista en el tema que pueda aclarar cualquier interrogante, se debe tener presente que este diseño fue realizado únicamente para el diseño de un equipo centrifugo. Respetar las unidades utilizadas en la hoja de cálculo, sobre todo al momento de introducir los datos de entrada, cualquier cambio realizado podría afectar a las fórmulas programadas de la hoja y por lo tanto arrojar resultados incorrectos. Se recomienda antes de comenzar el diseño de una fundación para equipo vibratorio recopilar toda la información necesaria para el cálculo del mismo. De esta manera el diseño se hará mucho más sencillo al introducir datos de entrada en la hoja de cálculo, manteniendo cuidado que el diseño se encuentre dentro de los rangos permisibles. GRACIAS POR SU ATENCIÓN

¿PREGUNTAS? b) El ancho mínimo debe ser 1.5 veces la distancia vertical desde el eje de la máquina hasta el fondo de la fundación. Se chequearón que las excentricidades entre la máquina y la fundación no sean mayores al 5% con el fin de cuidar la vibración excesiva. La Regla de Oro Capítulo 4 ACI Proporciona masa suficiente al bloque de fundación para atenuar las ondas de vibración Dimensiones Predimensionado Dimensiones Finales Predimensionado Verificación de la estabilidad por volcamiento Verificación de la estabilidad por deslizamiento Verificación de la presión actuante Momentos de Inercia Equipo-Fundación Momentos de Inercia del Sistema Constantes de resorte para fundaciones rectángulares Frecuencias del sistema Amplitudes total de modos Esfuerzos Dinámicos Esfuerzo Total Fuerzas y momentos transmitidos Radio Equivalente Fáctor de embutimiento geométrico Amortiguamiento total Constantes de resorte Para poder calcular las constantes de resortes es necesario determinar el coeficiente geométrico que varía según la relación de las dimensiones en planta de la fundación. Coeficiente Geométrico para fund. Rectángulares Fáctor de embutimiento para amotiguamiento Fáctor de masa Amortiguamiento geométrico Dt = Dg + Di Di: 0.05 Amortiguamiento interno del suelo Frecuencia natural Frecuencia natural de resonancia 1.30 fn < fo< 0.70 fn No debe acercarse a 1 Frecuencia característica de un cuerpo o un sistema que alcanza el grado máximo de oscilación. Si en algunos de los modos se cumple la condición que el doble del amortiguamiento total al cuadrado es mayor que uno, no es posible que exista resonancia. 2D > 1 2 Factor de Magnificación menor a 1.5 F = m·e·w 2 MASA ROTATIVA EXCENTRICIDAD FRECUENCIA DE OPERACIÓN Fuerzas Generadas por el Turbocompresor K-511 Amplitudes Pico a Pico Velocidad de desplazamiento La velocidad de desplazamiento en x se consideró extremadamente suave por tener una velocidad menor a 0.005 y la velocidad en z se consideró suave por tener una velocidad que va de 0.010-0.025 Entrando a la tabla con una frecuencia de operación del equipo de 9500 rpm e intersectando las amplitudes pico a pico, la velocidad en x cayo en el rango de velocidades extremadamente suaves, y la velocidad en z cayo en el rango de velocidad suave, de esta manera se confirmó que las velocidades de desplazamiento eran aceptables. Calculando el factor de transmisibilidad para cada modo, se calcularon las fuerzan que son transmitidas al sistema multiplicándolas por el mismo, así como los momentos de cada modo de rotación, para finalmente obtener los esfuerzos dinámicos del sistema Dimensiones Finales Los equipos dinámicos son todos aquellos dotados de movimiento Límites para verificación de Velocidades Límites de amplitudes
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