KAMILO ADOLFO TELLO CASTRO “ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIONES DE EQUIPOS DINÁMICOS, EN PLANTAS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA” KAMILO ADOLFO TELLO CASTRO AGOSTO 2015

CONTENIDO Introducción Maquinas dinámicas Cimentaciones Propiedades del suelo Análisis y diseño Vibraciones

INTRODUCCIÓN Las maquinas que son usadas son llamadas turbogrupos o equipos electrógenos, que es el conjunto de turbina y generador.

La generación de energía eléctrica se obtiene mediante CENTRALES TÉRMICAS Consta esencialmente de calderas, las cuales producen vapor y es inyectado a presión a la turbina.

CENTRALES HIDRÁULICAS O HIDROELÉCTRICAS Las centrales hidroeléctricas son instalaciones que permiten aprovechar la energía potencial gravitatoria

CENTRALES MAREOMOTRICES CENTRALES EÓLICAS CENTRALES SOLARES

Maquinas reciprocantes Maquinaria impulsiva o de impacto MAQUINAS DINÁMICAS Maquinas rotativas Maquinas reciprocantes Maquinaria impulsiva o de impacto Otras maquinas

MÁQUINAS RECIPROCANTES Trabajan logrando la expansión violenta de un gas mediante la combinación de émbolos, bielas y manivelas. Velocidades de operación menores a 600 rev/min (RPM). El movimiento alternante del émbolo (de tipo armónico o cíclico) se transforma por la acción de la biela en un movimiento circular de la manivela.

MÁQUINAS CENTRÍFUGAS Las partes móviles describen un desplazamiento de trayectoria circular. Este tipo de maquinaría por lo general trabaja a velocidad constante y son: turbinas, bombas centrífugas, compresores centrífugos, ventiladores y turbogeneradores.

CIMENTACIONES PARA EQUIPOS DINÁMICOS Tipo bloque Tipo cajón o muro Tipo pórtico

EL SUELO El estudio de suelos aparte de establece: Densidad del suelo (𝜌) Relación de Poisson (n) Velocidad de onda del suelo (Vs) Módulo de corte (G) Nivel freático Capacidad portante

RESONANCIA Cuando la frecuencia de funcionamiento o velocidad de la máquina se aproxima a la frecuencia natural de la fundación, ampliando la respuesta estática. Produce desplazamientos excesivos, que pueden dañar la máquina y/o causar molestias a los operadores, por lo que el objetivo del diseño de la cimentación es evitar que se presente.

RESONANCIA

Para controlar estos límites de resonancia se define la zona de resonancia, y la frecuencia natural del sistema se encuentre fuera de esta zona. La fundación está altamente sintonizada cuando su frecuencia fundamental es mayor que la velocidad de funcionamiento del equipo o bajamente sintonizada cuando su frecuencia fundamental es menor que la velocidad de funcionamiento.

REQUISITOS La geometría que tenga la máquina. La disposición de los apoyos conocido también como “foot print”. Velocidad de funcionamiento, o rango de velocidad. La frecuencia de operación de la máquina. Masas de rotor e impulsor. Las temperaturas de operación en la base de máquinas. Dibujo detallado con las dimensiones de la fundación sugeridas, donde se suele incluir equipos auxiliares y los detalles de drenaje que sean necesarios.

REQUISITOS Magnitud, dirección y la posición de todas las cargas dinámicas con sus frecuencias asociadas: Cargas externas (tuberías, sobretensiones, etc). Fuerzas individuales pistón. Fuerzas y pares desequilibradas. Rotación de la masa de excentricidad (después de equilibrio). Momentos de inercia de masa alrededor de tres ejes. Condiciones de cortocircuito dinámicos (Hasta 10 veces la carga máxima de torque).

Cargas de diseño Las cargas que son aplicadas a la cimentación son divididas en cargas estáticas y dinámicas, divididas de la siguiente forma: Cargas permanentes (CP) Cargas vivas (CV) Cargas de viento (W) Fuerzas sísmicas (EQ) Fuerza producida por el compresor (SAgp) Fuerza producida por la turbina (SApt) Fuerza producida por el generador (SAgen)

COMBINACIONES DE CARGA

VIBRACIONES

Para propósitos de diseño, la frecuencia es independiente de la rigidez, esto es válido cuando:

Las expresiones de las constantes de resorte teóricas para el movimiento vertical, son tomadas de Design of Structures & Foundations for Vibrating Machines, por Suresh Ayra & George McPinlus, constants: horizontal, balanceo y torsión Constantes equivalentes de resortes, para cimentaciones circulares o rectangulares

Coeficientes para cimentaciones embebidas

Considerar las vibraciones para el bienestar de las personas, equipos cercanos y el equipo como tal. Valores dados por fabricantes hacen referencia únicamente a la operación del equipo.

DISENO DE UNA CIMENTACION PARA EL TURBO GENERADOR MARCA SOLAR

En la figura, se presenta el turbo grupo, del fabricante Solar S En la figura, se presenta el turbo grupo, del fabricante Solar S.A, modelo Titán 250, con un peso total de 1313.13 KN y una potencia de 22 370 kW.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES Hormigón f’c: 30 MPa, Para fundaciones. Hormigón f’c: 15 MPa, Para replantillo. Acero de refuerzo: 420 MPa. CARACTERÍSTICAS DEL SUELO Capacidad admisible (Qadm) : 20 t/m2 (Para cargas estáticas) Coeficiente de balasto (Ks) : 15000 t/m3 (Para una placa de 0,3mX0,3m) Perfil del suelo: Grava densa, G = 241317 kN/m2

El resorte vertical corresponde al coeficiente de balasto, el valor de la constante de resorte vertical que se aplica en el modelo se lo determina mediante el uso de las tablas expuestas anteriormente

Dimensiones del equipo

Prediseño de la cimentación

La parte inferior de la base de bloques debe estar por encima del nivel freático. A nivel de desplante no se tiene presencia de nivel freático (CUMPLE) 2. a. De ser una máquina centrífuga la masa del bloque rígido debe ser de dos a tres veces la masa de la máquina

c. El espesor vertical del bloque no debe ser inferior a 2 pies, o según lo dictado por la longitud de los pernos de anclaje utilizados. d. El ancho debe ser de al menos 1 a 1,5 veces la distancia vertical desde la base hasta la línea central de la máquina.

e. La longitud y ancho de la base se ajustan de manera que el centro de gravedad de la máquina y equipo se encuentre en un rango del 5% de cercanía con el centro de gravedad de la fundación.  

Cargas suministradas Carga estatica Carga de Viento

Cargas dinámicas producidas por componentes dinámicos, (cargas en KN).

Se muestran a continuación las orientaciones o disposiciones de la excitación recomendadas. Se representan las posiciones en las que el disco de la turbina y el del generador pueden encontrarse desfasados.

En la tabla se muestran los estados de carga que serán aplicados al modelo.

Análisis computacional La geometría del modelo está compuesta por nudos y elementos que son aplicables para el programa SAP2000. Todos los elementos tienen asignados propiedades geométricas y propiedades del material de acuerdo a sus características reales

Para la verificación de la resonancia, vamos a considerar el modo de vibración donde se tiene un porcentaje de participación modal superior al 90% en las 3 direcciones X, Y, Z. Esto se cumple desde el modo 5.

Es de vital importancia que el rango de frecuencias este fuera del intervalo de 0,8 a 1,2

Analisis de vibraciones Donde Vx, Vy, Vz son las amplitudes de las componentes del vector de velocidades de la respuesta en cada punto de soporte.

Se obtiene un valor máximo de 1.16 mm/seg < 1.27 mm/seg.

Diseño de la cimentación

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La generación de energía eléctrica la vemos constantemente, es necesaria en todos los ámbitos del día en mayor o menor cantidad. La más necesaria es a nivel industrial y en grandes cantidades. En el presente trabajo se recopilo información analítica de aspectos geotécnicos y estructurales, la industria necesita este tipo de aportes ya que vuelven eficiente un diseño, lo que se traduce en un ahorro de costos.

La norma ecuatoriana NEC-V La norma ecuatoriana NEC-V.2015, es una norma enfocada principalmente en las estructuras más comunes, por lo que para cimentaciones de equipos dinámicos es necesario recurrir a normas y modelamientos que tienen más de 30 años de antigüedad, sin embargo estos métodos no han sido renovados, lo que deja una cierta ventana a la investigación de este campo. Siempre que se requiera cimentar un equipo dinámico es de vital importancia apoyarse en el estudio de suelos, el cual suele recomendar consideraciones de diseño y construcción, además de los parámetros que fueron usados en el diseño.