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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

ESTUDIO COMPARATIVO DE

METODOLOGÍAS PARA EL

ANÁLISIS DE CIMENTACIÓN

DE MAQUINARIAS

RAFAEL SALINAS BASUALDO

JORGE E. ALVA HURTADO

Facultad de Ingeniería CivilAv. Túpac Amaru N° 1150 - Lima 25. Apartado Postal 31-250, Lima 31

Teléfonos (51-1) 482-0777, 482-0804 Fax 481-0170 e-mail:[email protected] http://www.cismid-uni.org

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL




DE MAQUINARIAS

Primera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© Rafael Salinas Basualdo

Jorge E. Alva Hurtado

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0103

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor




DE MAQUINARIAS

RAFAEL SALINAS BASUALDO

JORGE E. ALVA HURTADO

ESTUDIO COMPARATIVO DE METODOLOGIAS PARA ELANALISIS DE CIMENTACION DE MAQUINARIAS

Rafael Salinas Basualdo (1)

Jorge E. Alva Hurtado (1)

RESUMEN

Se presenta un análisis comparativo de algunas metodologías presentadas en laliteratura, empleadas en el estudio de cimentaciones sometidas a accionesvibratorias armónicas. Tales metodologías han sido implementadas en un

programa de cómputo, con el cual se han realizado diversos análisis paradeterminar las dimensiones apropiadas para la cimentación de los generadoresde algunas centrales térmicas a nivel nacional. Asimismo, fue evaluada lavariación de la respuesta del sistema vibratorio ante los cambios de magnitud delmódulo de corte del suelo.

La diferencia fundamental entre los métodos codificados radica en considerar laspropiedades del sistema compuesto por la máquina, la cimentación y el suelo,como independientes o dependientes de la frecuencia de excitación, para fines decálculo. Como producto del presente trabajo, se ha desarrollado una secuenciapara el estudio de las cimentaciones superficiales ante acciones vibratorias. Noobstante, debido a las simplificaciones asumidas en el análisis y laheterogeneidad del suelo, es recomendable la medición posterior de la

vibraciones presentes en la maquinaria o equipo en operación.

1. INTRODUCCION

En instalaciones de producción permanente, entre las que se cuentan las

centrales de generación de energía, las minas con sistemas de ventilación,

plantas industriales, procesadoras de minerales y metales, etc., existen

maquinarias de mediana o gran magnitud que generan fuerzas especiales de

acción dinámica. Estas fuerzas serán trasmitidas al suelo a través de la

cimentación. Sin embargo, puede tenerse como consecuencia la amplificación de

tales solicitaciones debido a la interacción dinámica entre la cimentación y el

suelo, y su manifestación en niveles vibracionales demasiado altos, los cuales

pueden conducir no solamente a la falla de los equipos involucrados,

(1) Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingenieria Civil Laboratorio Geotécnico del CISMID Ponencia Presentada en el XI Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Trujillo, 1997

sino también a la de las estructuras adyacentes y a la inconfortabilidad de las

personas trabajando cercanamente. Con el objeto de evitar estas situaciones es

necesario establecer metodológicamente una secuencia en el análisis y diseño de

las cimentaciones de maquinarias y sistematizar los métodos modernos en un

programa de cómputo que facilite la determinación de las dimensiones de la

cimentación superficial, sin dejar de puntualizar la necesidad de evaluar

directamente las características del suelo de soporte.

El uso de bloques de cimentación de concreto masivo es una alternativa que

presenta ventajas de construcción y de costo. Por otra parte, el estudio del

comportamiento de los bloques de cimentación superficiales ante acciones

vibratorias sobre los mismos es la base para las aplicaciones más complejas,

tales como la cimentación de sección tipo cajón o aquella formada a base de

pórticos. Las estrategias de solución analítica están basadas en las soluciones de

la teoría lineal del semiespacio elástico aplicadas a modelos analógicos con

parámetros globales equivalentes (Richart et al., 1970; Prakash, 1981; Arya et al.,

1981; Gazetas, 1983; Moore, 1985). El criterio de diseño es limitar las vibraciones

a niveles tolerables para las personas o para la operación normal de la

maquinaria, o controlar las vibraciones para no afectar las estructuras

adyacentes; las vibraciones admisibles usualmente son determinadas en función

a la frecuencia de excitación (Richart, 1962; Nieto y Reséndiz, 1967; Richart et al.,

1970).

2. METODOLOGIAS PARA EL ANALISIS

Las metodologías revisadas para el análisis fueron las siguientes:

2.1 Compilación de Whitman (1972) y Arya et al. (1981)

Los resultados de varias investigaciones sobre el problema de vibración de

cimentaciones sobre el suelo, considerando a éste como un material semi-infinito,

elástico e isotrópico, fueron compilados por Whitman (1972) y empleados con

amplitud por Arya et al. (1981). Las expresiones para el cálculo de las rigideces y

el amortiguamiento del sistema son calculados como independientes de la

frecuencia, además de incluir la influencia del empotramiento (restricción lateral

de una cimentación a cierta profundidad en el suelo). En sentido general, las

rigideces son de la forma:

K = f (G, µ, B, L, R) . β . η (1)

Donde:

β = factor de forma en cimentaciones rectangulares (depende de la relación

L/B)η = factor de empotramiento (función de µ y h/R)G = módulo de corte del sueloµ = coeficiente de Poisson del suelo

h = profundidad de empotramientoR = radio equivalente de la baseB,L= dimensiones rectangulares de la base

2.2 Compilación de Gazetas (1991)

Gazetas (1983, 1991), teniendo en cuenta los efectos que produce elempotramiento (efectos de foso o excavación y de contacto lateral), hapresentado una serie de expresiones con las cuales son calculados las rigidecesdinámicas y el amortiguamiento del sistema. Tales expresiones son el resultadodel análisis de cimentaciones con diferentes condiciones y formas de cimentación,empleando modelos analíticos relativamente más refinados. Para considerartodos los efectos, las rigideces tienen la forma:

K = K DINAMICO = K ESTATICO . k (2)K ESTATICO = f (G, µ, AB, B, L) . IF . IL (3)

Donde:

IF = factor de excavación (depende de B, h, d)IL = factor de contacto lateral (depende de L, h, d, AW)AB= área del rectángulo circunscrito en la baseAW= área de contacto laterald = altura efectiva de contacto lateralk = coeficiente dinámico (depende de L/B, ω, B, Vs)

ω = frecuencia de excitaciónVs = velocidad de ondas de corte del suelo

Las expresiones correspondientes para el cálculo de las rigideces y losamortiguamientos geométricos, para los seis modos de vibración (3 traslacionalesy 3 rotacionales) se encuentran en la literatura consultada (Arya et al., 1981;Gazetas, 1983; Gazetas, 1991; Salinas, 1995). El amortiguamiento geométricotiene formulaciones similares a aquellas de las rigideces, según la metodología

correspondiente, con la consideración de la masa del sistema y la densidad delsuelo; el amortiguamiento total es la suma del amortiguamientogeométrico y el amortiguamiento interno del suelo.

3. DESARROLLO DE ESTUDIOS PARA CIMENTACIONESSUPERFICIALES DE MAQUINARIAS VIBRATORIAS

Ha sido elaborado un programa de cómputo que realiza el análisis dinámico de lacimentación de maquinarias, denominado CIMAQ. El programa codifica lasaplicaciones de la teoría del semiespacio elástico a modelos analógicos, quesimplifican su presentación matemática mediante evaluaciones de las constantesde rigidez y de amortiguamiento equivalentes y permiten la estimación de larespuesta teórica del sistema en términos de las fuerzas transmitidas y lasamplitudes de vibración resultantes. Se han considerado diferentes formas de lacimentación - rectangular, circular e irregular-, condiciones del suelo-semiespacio elástico o estrato con base rígida-, ubicaciones de la cimentación –superficial o empotrada- y acoplamiento de los modos traslacionales con losrotacionales correspondientes. Con el programa se puede realizar el análisis decimentaciones ante acciones rotatorias, sea con el procedimiento simplificado de

Whitman, empleado por Arya et al, o con el procedimiento compilado por Gazetas(Salinas, 1995).

El análisis es realizado considerando, en primer lugar, independencia entre los

modos de vibración, sin ningún tipo de acciones acopladas. Si están indicados

tanto un movimiento horizontal como un movimiento rotacional coplanares, se

lleva a cabo el cálculo del movimiento acoplado correspondiente. Luego, los

efectos de las amplitudes de vibración de cada modo (traslaciones o rotaciones)

en ciertos puntos de interés para la seguridad del sistema son superpuestos en

términos de desplazamientos, a fin de obtener un efecto máximo. Para ello se

emplean relaciones geométricas propias del movimiento de los cuerpos rígidos.

Finalmente, los desplazamientos en cada dirección, calculados para una

frecuencia especificada, son sumados conservadoramente. El sistema de

coordenadas empleado y los grados de libertad del sistema son mostrados en la

Figura 1. Se calculan los máximos admisibles para distintos criterios de vibración,

de acuerdo al diagrama de la Figura 2 (Richart, 1962). En la Figura 3 se presenta

el diagrama de flujo del programa realizado.

El programa de cómputo tiene la ventaja de hacer posible los análisis veloces a

nivel de diseño, con pequeñas correcciones en los datos de entrada, ya sean

cambios en las propiedades de la cimentación, por ejemplo, o los análisis

paramétricos en el caso que se quiera conocer la influencia de la variación de

algunas características del suelo, por ser este factor el más importante y,

frecuentemente, el de mayor dispersión. Asimismo, permite conocer la variación

de los parámetros dinámicos y las amplitudes según se realice el análisis con

rigideces estáticas y amortiguamientos independientes de la frecuencia, mediante

la compilación de Whitman, o con rigideces dinámicas y amortiguamientos

dependientes de la frecuencia de operación, mediante la compilación de

Gazetas. Tales evaluaciones ampliarán la capacidad de decisión del ingeniero al

momento de adoptar las dimensiones definitivas de diseño.

A partir del desarrollo de este trabajo, se presenta una secuencia del desarrollo de

estudios para la cimentación de maquinarias vibratorias, que se resume en las

siguientes etapas:

a. Conocimiento previo del conjunto de la infraestructura general del entorno

de la cimentación.

b. Conocimiento de las características de operación, dimensiones y

distribución en planta de la maquinaria. Determinación de las fuerzas

dinámicas, en caso de falta de información al respecto.

c. Definición de los criterios de diseño.

d. Definición del perfil y de las propiedades dinámicas del suelo, en base a los

ensayos de campo.

e. Predimensionamiento de la cimentación, según recomendaciones

generales o experiencia, definición del nivel del fondo de la cimentación y

condiciones de restricción lateral. Debe mencionarse los casos en que el

fabricante de los equipos cuenta con planos con la forma del bloque de

cimentación; en tal caso, los estudios deben tener fines verificatorios de las

dimensiones preestablecidas y sus condiciones de restricción lateral.

f. Ejecución del análisis dinámico bajo las condiciones propuestas.

g. Comparación de las respuestas máximas con las admisibles.

h. En caso de resultados no satisfactorios, modificación de las dimensiones o

de la condición lateral de la cimentación, realización de un nuevo análisis y

comparación de respuestas máximas, hasta definir dimensiones de diseño.

Además, debe tenerse presente que las simplificaciones asumidas en los análisis

y la heterogeneidad del suelo hacen altamente recomendable la medición

posterior, in-situ, de las vibraciones presentes en la maquinaria en operación, de

tal forma que será prevista la ocurrencia de posibles daños, y se tomarán medidas

finales para limitar las vibraciones excesivas.

4. CASOS ESTUDIADOS

4.1 Central Térmica de Ventanilla, Lima.

El suelo está formado por arena fina con cierto contenido de finos no plásticos. Elsuelo de la zona a la profundidad de cimentación es de naturaleza compacta. Elbasamento rocoso se encuentra aproximadamente a 30 m de profundidad; el nivelfreático no fue encontrado en las excavaciones (CISMID, 1992). Se advirtió lapresencia de sales solubles. Debido a la constitución arenosa del suelo fueposible realizar el ensayo SPT. Sus resultados (Olcese y Zegarra, 1992) dan unvalor promedio de N igual a 70, indicando la gran rigidez del suelo a laprofundidad de desplante. Empleando expresiones empíricas (CISMID, 1992) se

tiene un rango de valores del módulo de corte de 35,900 a 22,100 t/m2.Adicionalmente, fueron realizados dos ensayos de placa cíclicos (CISMID, 1992);del análisis de la parte cíclica de la prueba, se definió para el módulo de corte unvalor de 20,000 t/m2.

La forma del bloque de cimentación se presenta en la Figura 4. El análisis fuerealizado considerando modos de vibración no acoplados y también considerandoacoplamiento de las componentes horizontal y de cabeceo – por medio de unaopción del programa de cómputo desarrollado -, con los siguientes datos:

Datos del Suelo:

Peso específico 1.60 t/m3

Módulo de corte 20,000 t/m2

Coeficiente de Poisson 0.35

Datos de la Maquinaria:

Tipo CentrífugaPeso de la máquina 331.37 tAltura total del centro de gravedad a la base 4.22 m.

Solicitaciones:

Frecuencia primaria 3600 r.p.m.- Fuerza vertical 86.23 t- Fuerza horizontal transversal 86.23 t- Momento de cabeceo 363.89 t-m

Frecuencias críticas (en el inicio de operación):

f1 = 1126 r.p.m.f2 = 1335 r.p.m.

Propiedades de Inercia de la Máquina más la Cimentación:

Peso total 1395.29 tInercia rotacional – eje longitudinal 12480.10 t-m2

Dimensiones de la base equivalente 8.70 x 27.04 mProfundidad de empotramiento 1.30 m

Los parámetros dinámicos del terreno y los resultados del análisis se presentanen la Tabla 1. El desplazamiento máximo considerando el movimiento no

acoplado es del orden de 1.38 x 10-5 m, en tanto que para el movimiento acopladoresulta del orden de 1.60 x 10-5 m. Dado que el desplazamiento límite a lafrecuencia de operación es 7.6 x 10-5 m, de acuerdo a las recomendaciones delfabricante, se concluye que la cimentación cumple el requisito de diseño.

Adicionalmente, se realizaron evaluaciones paramétricas modificando la magnituddel módulo de corte del suelo, por ser un valor sensible en los estudiosgeotécnicos y porque, principalmente, dada la presencia de sales solubles podríatenerse un estimado de la respuesta del sistema a valores bajos del módulo. En laTabla 3 se presentan los principales resultados para valores de G del orden de8000, 10000, 15000 y 20000 t/m2, tanto por el método de Whitman como por elmétodo de Gazetas.

Se aprecia que, en este caso, aunque se produce un lógico incremento de lasfrecuencias naturales de vibración, en orden proporcional a la raíz cuadrada delmódulo, las amplitudes modales no crecen apreciablemente (Figura 5). Sinembargo, para tomar en cuenta la relación entre los desplazamientos y lafrecuencia en que se producen, con el fin de evaluar la severidad vibracional, seha elaborado el gráfico de desplazamientos espectrales presentado en la Figura6. El análisis mediante la compilación de Whitman presenta magnitudes mayoresque aquellos resultantes del método de Gazetas, debido a que el modo rotacionalcrítico tiene un amortiguamiento menor en el primer método que en el segundo.Conociendo además que se presentarán acciones a frecuencias bajas en elestado de inicio o término de la operación, es posible que se presenten problemasde vibración excesiva. Una alternativa para reducir los niveles vibracionales es el

aumento del ancho de la cimentación, lo que ampliaría la capacidad deamortiguamiento y reduciría las frecuencias naturales, alejándola de lasfrecuencias críticas (Salinas, 1995).

4.2 Central Térmica de Calana, Tacna

El subsuelo de la zona es relativamente homogéneo, estando principalmenteconstituido por un depósito fluvio-aluvial relativamente profundo. En lasexcavaciones no se encontró el nivel freático (CISMID, 1993). En base a laevaluación de los ensayos de campo, que comprendieron esencialmente ensayosde placa cíclicos y de refracción sísmica superficial, se propuso un nivel decimentación de 2.50 m. De acuerdo a los ensayos de refracción sísmica, elmódulo de corte de la grava compacta al nivel en donde se decidió cimentar elgenerador es de 130,600 t/m2. Además, los ensayos de placa cíclicos dieroncomo resultado un valor del módulo de corte de 23,520 t/m2. Teniendo en cuentala diferencia entre los niveles de deformación que caracterizan a los ensayosrealizados, donde se espera que el módulo sea mayor en los resultados derefracción sísmica, se adoptó un valor conservador de 23,000 t/m2, cercano alobtenido mediante el ensayo de placa cíclico. La forma del bloque de cimentaciónse presenta en la Figura 7. Los datos empleados en el análisis fueron lossiguientes:

Datos del Suelo:

Peso específico 2.00 t/m3

Módulo de corte 23,000 t/m2

Coeficiente de Poisson 0.30

Datos de la Maquinaria:

Tipo ReciprocantePeso de la máquina 105.00 tAltura del centro de gravedad a la base 1.80 m

Solicitaciones:

Frecuencia Primaria 720 r.p.m.- Momento en el eje transversal 1.20 t-m- Torsión 0.37 t-mFrecuencia Secundaria 1440 r.p.m.- Momento en el eje transversal 0.13 t-m

Dimensiones de la Cimentación

Ancho x Longitud x Altura 3.60 x 11.00 x 2.50 mNo se consideró empotramiento

La Tabla 2 presenta un resumen de los parámetros dinámicos y la respuestavibratoria del sistema analizado, que muestra un desplazamiento máximo de 1.42x 10-6 m., superponiendo las amplitudes de las dos componentes de frecuenciapresentes. La amplitud máxima permisible es del orden de 3.7 x 10-5 m y por lotanto, se cumple satisfactoriamente el criterio de diseño asumido.

Una serie de análisis dinámicos considerando el rango de valores del módulo decorte definido por los ensayos, específicamente para 25000, 50000, 75000 y100000 t/m2, y de acuerdo a los dos métodos implementados, han permitido teneruna idea de la variación de la respuesta con este parámetro del suelo. Susresultados, presentados en la Tabla 4 y gráficamente en las Figuras 8 y 9, indicanque el valor más bajo del módulo de corte conduce al resultado más conservador.Aunque el nivel de las fuerzas es pequeño, si éstas aumentaran en diez veces sumagnitud nominal, el sistema aún se encontraría en condiciones seguras, pueslos desplazamientos puntuales, cercanos en este caso a 1.5 x 10-6 m, seríanmenores al admisible.

5.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se ha elaborado un programa de cómputo que sintetiza los casos analizados enel presente trabajo, con el cual se han realizado los análisis con los distintosprocedimientos propuestos en la literatura; los análisis se han realizado conmodificaciones en la magnitud del módulo de corte del suelo, dentro de un rangodefinido por los ensayos de campo. La rapidez para ejecutar los análisiscomparativos y paramétricos es la principal ventaja de todo programa decómputo, y en este caso sus resultados han permitido la consideración demétodos más actualizados, de empleo poco usual o nulo en operacionesmanuales. Los análisis paramétricos comparativos demuestran la mayorconsideración de la influencia del amortiguamiento en los modos rotacionalessegún la metodología moderna compilada por Gazetas, aunque no se apreciandiferencias notorias a nivel de desplazamientos, lo que se traduce en una ligeravariación en las frecuencias calculadas.

En lo que concierne a la verificación de las acciones vibratorias, se recomienda laverificación de dos términos, las frecuencias y las amplitudes, aunque éstasúltimas gobiernan la conformidad con las dimensiones propuestas. La restricciónde frecuencias tiene la finalidad de limitar la magnificación de la respuestaestática ante la fuerza oscilatoria, a niveles recomendados por la experienciapasada en otros medios.

Dada la importancia de muchas de las obras de Ingeniería que cuentan conmaquinarias vibratorias, se recomienda considerar la uniformización de loscriterios de diseño en un acápite de la norma de diseño de cimentaciones, para el

caso de acciones vibratorias. Se recomienda el empleo de la metodologíapresentada para el análisis de la cimentación de maquinarias en el Perú.

REFERENCIAS

1. Alberro J. y Nieto J.A. (1968); “Apéndice a Criterios de Diseño paraCimentaciones de Maquinaria”. Ingeniería, Vol.38, N°1, pp.77-123; México

2. Arya S.C., Pincus G. y O´Neill M. (1981); “Design of Structures andFoundations for Vibrating Machines”. Gulf Publishing Co.; Houston, Texas.

3. Barkan D. (1962); “Dynamics of Bases and Foundations”. Mc.Graw-Hill BookCo.; New York, N.Y.

4. CISMID (1992); “Determinación de los Parámetros Dinámicos para laCimentación de la Central Térmica de Emergencia de Lima”. Informe Técnico;Lima, Perú.

5. CISMID (1993); “Estudio Geotécnico de la Central Térmica de Calana, Tacna”.Informe Técnico; Lima, Perú.

6. Das B. (1983); “Fundamentals of Soil Dynamics”. Ed. Elsevier; New York, N.Y.

7. Gazetas G. (1983); “Analysis of Machine Foundations Vibrations: State of theArt”. International Journal of Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol.2,pp.2-42, Princeton University; Princeton, N.J.

8. Gazetas G. (1991); “Foundation Vibrations”. Foundation EngineeringHandbook, H.Y.Fang (editor), cap.15, pp.553-593, Van Nostrand Reinhold;New York, N.Y.

9. Moore P.J. (editor) (1985); “Analysis and Design of Foundations for Vibrations”.University of Melbourne, A.A. Balkema Publishers; Rotterdam, Holanda.

10. Nieto J.A. y Reséndiz D. (1967); “Criterios de Diseño para Cimentaciones deMaquinaria”. Ingeniería, Vol.57, N°3, pp.257-270; México.

11. Olcese M. y Zegarra J. (1992); “Estudio de Suelos con fines de Cimentación –Central Térmica de Ventanilla”. Informe Técnico; Lima, Perú.

12. Prakash S. (1981); “Soil Dynamics”. Mc.Graw-Hill Publishing Co.; New York,N.Y.

13. Richart F.E. (1962); “Foundation Vibrations”. Transactions ASCE, Vol.127(I),pp.863-898.

14. Richart F.E., Hall J. y Woods R. (1970); “Vibrations of Soils and Foundations”.Prentice-Hall Inc.; Englewood Cliffs, N.J.

15. Salinas, R. (1995); “Análisis y Diseño de Cimentaciones Superficiales anteAcciones Vibratorias”. Tesis Profesional, Facultad de Ingeniería Civil,Universidad Nacional de Ingeniería; Lima., Perú.

16. Shrinivasulu P. y Vaidyanathan C.V. (1993); “Handbook of MachineFoundations”. Tata Mc.Graw-Hill Publishing Co.; New Delhi, India.

17. Whitman R.V. (1972); “Analysis of Soil-Structure Interaction. A State of the ArtReview”. MIT Soils Publication N° 300, Department of Civil Engineering,Massachussetts Institute of Technology.

TABLA 1. PARAMETROS DINAMICOS DEL SISTEMA Y RESPUESTAVIBRATORIA DE LA CIMENTACION (Unidades: t, m,s)ANALISIS DE LA C.T. VENTANILLA, LIMA

Modo de Vibración TraslaciónTransversal

Vertical RotaciónLongitudinal

Método: Compilación de Whitman

Parámetros Dinámicos

Frecuencia Natural (rpm)Inercia de MasasRigidezRelación de AmortiguamientoFrecuencia de Resonancia (rpm)

777142.38942300

0.83

864142.38

11650001.15

14541273.47

295300000.381731

Respuesta Vibratoria a 3600 rpm

Amplitud de la FuerzaFactor de MagnificaciónFactor de TransmisibilidadAmplitud de DesplazamientoFuerza TransmitidaDesplazamientos Máximosz= 1.38E-05y= 1.37E-05Desplazamientos Máximos Acopladosz= 1.60E-05y= 1.19E-05

86.230.04570.3536

.4186E-0530.49

0.42E-05

0.48E-05

86.230.05270.5075

.3903E-0543.77

0.39E-05

0.39E-05

363.890.18310.3892

.2257E-05141.61

0.99E-050.95E-05

1.21E-050.71E-05

Método: Compilación de Gazetas



1011142.38

15960000.662704

701142.38767600

1.46

11911273.47

198200000.73


Amplitud de la FuerzaFactor de MagnificaciónFactor de TransmisibilidadAmplitud de DesplazamientoFuerza TransmitidaDesplazamiento Máximosz= 1.26E-05y= 1.27E-05Desplazamientos Máximos Acopladosz= 1.34E-04y= 1.02E-05

86.230.07950.3797

.4996E-0532.74

0.43E-05

0.46E-05

86.230.03400.5089

.3816E-0543.88

0.38E-05

0.38E-05

363.890.10810.4879

.1986E-05177.55

0.87E-050.84E-05

0.95E-050.56E-05

Amplitud Límite = 7.62E-05

TABLA 2. PARAMETROS DINAMICOS DEL SISTEMA Y RESPUESTAVIBRATORIA DE LA CIMENTACION (Unidades: t, m, s)ANALISIS DE LA C.T. CALANA, TACNA

Modo de Vibración RotaciónTransversal

Torsión

Método: Compilación de Whitman



1356493.0879947000

0.231281

1685270.6548429000

0.151646


Amplitud de la FuerzaFactor de MagnificaciónFactor de TransmisibilidadAmplitud de DesplazamientoFuerza TransmitidaDesplazamientos Máximosz= 0.87E-06x= 0.68E-06y= 0.29E-06Desplazamientos Máximos – Suma delos Componentes de Frecuenciaz= 1.22 E-06y= 0.79 E-06

1.201.31721.3565

.1589E-061.63

0.87E-060.68E-06

0.371.20831.2183

.0530E-060.45

0.29E-06

Método: Compilación de Gazetas



1300493.0879148000

0.151271

1722270.6549333000

0.131693


Amplitud de la FuerzaFactor de MagnificaciónFactor de TransmisibilidadAmplitud de DesplazamientoFuerza TransmitidaDesplazamiento Máximosz= 1.01E-06x= 0.79E-06y= 0.28E-06Desplazamientos Máximos-Suma delos Componentes de Frecuenciaz= 1.42E-06x= 0.92E-06

1.201.40221.4214

.1839E-061.71

1.01E-060.79E-06

0.371.20131.2084

.0505E-060.45

0.28E-06

Amplitud Límite = 3.70E-05

TABLA 3. ANALISIS DE LA C.T. VENTANILLA, LIMA. RESULTADOS PRINCIPALES DE LA EVALUACION PARAMETRICA RESPECTO ALMODULO DE CORTE DEL SUELO

Método: Compilación de WhitmanFRECUENCIAS

(rpm)AMPLITUDES A 3600 rpm

(x 10-5 m. rad)DESPLAZAMIENTOS

PUNTUALES (x 10-4 m)G(t/m2)fny fnz fnry Ay Az Ary ymax zmax

8000 491 546 920 .4322 .4108 .2106 .1210 .166510000 549 611 1028 .4224 .4072 .2131 .1215 .165115000 673 748 1259 .4205 .3985 .2193 .1195 .162220000 777 864 1454 .4186 .3903 .2257 .1191 .1601

Método: Compilación de GazetasFRECUENCIAS

(rpm)AMPLITUDES A 3600 rpm

(x 10-5 m. rad)DESPLAZAMIENTOS

PUNTUALES (x 10-4 m)G(t/m2)fny fnz fnry Ay Az Ary ymax zmax

8000 639 443 753 .4279 .4067 .2004 .1104 .150310000 715 496 842 .4282 .4022 .2002 .1083 .146515000 876 607 1032 .4290 .3915 .1995 .1044 .139120000 1011 701 1191 .4296 .3816 .1986 .1019 .1336

TABLA 4. ANALISIS DE LA C.T. CALANA, TACNA. RESULTADOS PRINCIPALES DE LA EVALUACION PARAMETRICA RESPECTO ALMODULO DE CORTE DEL SUELO

Método: Compilación de WhitmanFRECUENCIAS

(rpm)AMPLITUDES A 720 rpm *

(x 10-6 rad)DESPLAZAMIENTOS

PUNTUALES (x 10-5 m)G(t/m2)fnrx fnry fnt Arx Ary At xmax Zmax

23000 804 1356 1685 .1157 .1589 .0530 .0794 .122450000 1185 2000 2485 .0469 .0626 .0219 .0313 .048575000 1451 2449 2972 .0302 .0401 .0142 .0197 .0306

100000 1676 2828 2514 .0223 .0294 .0105 .0143 .0223Método: Compilación de Gazetas

FRECUENCIAS(rpm)

AMPLITUDES A 720 rpm(x 10-6 rad)

DESPLAZAMIENTOSPUNTUALES (x 10-5 m)G(t/m2)

fnrx fnry fnt Arx Ary At xmax Zmax

23000 754 1300 1722 .1362 .1839 .0504 .0919 .142050000 1127 1960 2564 .0524 .0665 .0206 .0338 .052775000 1387 2420 3152 .0333 .0415 .0132 .0205 .0322

100000 1607 2808 3647 .0243 .0301 .0098 .0147 .0232

* El modo rotacional rx tiene acciones a la frecuencia de 360 rpm, para la cual se presentan los resultados en esta Tabla

Z

FZ

MZ

MYMX

FX FY

LZ2

LZ1

LY

LX

X

Y

Figura 1: Grados de libertad y sistemas de coordenadas considerados en el análisisdinámico.

0.1

0.05

0.02

0.01

0.005

0.002

0.001

0.0005

0.0002

0.0001100 200 500 2000 5000 10000

Am

plit

ud

de

des

pla

zam

ien

to

,

In

Peligro Estructural ∆∆

Precaución Estructura ∆∆

Límite para Máquinas

Cim

entación de Máquinas

Severas para las personas +

Problemáticas para las personas +

Fácilmente perceptibles +

Poco perceptibles +

No perceptibles

+ Reither y Meister (1931) (vibraciones periódicas)- Rausch (1943) (vibraciones periódicas)∆∆ Crandell (1949) (vibraciones por explosiones)

Frecuencia rpm

Figura 2: Límites de amplitud de desplazamiento en función de la frecuencia devibración (Richart, 1962).

Figura 3: Diagrama de flujo del programa para el análisis de cimentación demáquinas CIMAQ

INICIO

SELECCION DE OPCIONESFORMA Y UBICACION DE

LA CIMENTACION

SELECCION DEL TIPODE DEPOSITO DE SUELO

SELECCION DE OPCIONESDE CALCULO

NO ACOPLADO O ACOPLADO

Procedimientode Solución

Whitman Gazetas

Cálculo de Rigideces yAmortiguamientos

Cálculo deRigideces

I= 1, N° defrecuencias

Cálculo de Amortiguamientos

N = 1,6

Indicador = NSI

NO Cálculo deFrecuencias Naturales

Según el Procedimeintode Solución Elegido

I = 1, N° defrecuencias

Cálculo deEfectos Dinámicos

Puedenexistir modos

acoplados

SI

NOSe seleccionóla opción de

cálculo

SI

NO Cálculo deFrec. Naturales

COUPFREC

I = 1, N° defrecuencias

Cálculo deEfectos Dinámicos

COUPCALC

Cálculo deAmplitudes

Límites

N° PUNTO DEINTERES = 1, NP

NF = N° defrecuencias

N = 1,6

indicador = NSI

NO Impresión deDesplazamientosDirecciones x, y, z

Impresión deDesplazamientos

Superpuestos

Impresion deAmplitudes

Límites

FIN

Impresion dela Suma Total

de los Desplazamientos

Figura 4: Plantas y elevación C.T. Ventanilla, Lima

0.45 1.70 2.60 2.60 1.80

2.70

10.60

C.G.GENERADOR

AA

29.75 27.05

18.40

PTO.1 PTO.2

13.23

C.G.TURBINA

5.91

8.65

8.70

9 15

X

PLANTA

Z

Fz

Fy

GENERADORTURBINA

C.G.

PTO. 1

PTO. 2

1.77

0.95

1.501.30

2.452.45

8.70

CORTE A - A

Υ

FRECUECIAS NATURALES DE VIBRACIONCENTRAL TERMICA DE VENTANILLA, LIMA

Figura 5: Variación de las frecuencias de vibración con el módulo de corte C.T.Ventanilla, Lima.

FR

EC

UE

NC

IAS

NA

TU

RA

LE

S (

R.P

.M.)

COMPILACION DE WHITMAN

COMPILACION DE GAZETAS

modo rotacionaleje longitudinal

modo horizontal

modo vertical

200

180

160

1400

120

100

80

600

400

20

0

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000MODULO DE CORTE (Tn/m2)

x

x

+

+

x

x

+

+

+

+

x

x

+

+

x

Figura 6: Variación de desplazamientos máximos con la frecuencia de operación y elmódulo de corte C.T. Ventanilla, Lima.

DE

SP

LA

ZA

MIE

NT

OS

MA

XIM

OS

(x

0.1

mm

)

DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS PUNTUALESCENTRAL TERMICA DE VENTANILLA, LIMA

100

0.1



Vibracionesseveraspara las

personasVibraciones

problemáticaspara laspersonas

DESPLAZAMIENTOS VERTICALES

DESPLAZAMIENTOS HORIZONTALES

Vibracionesfácilmente

apreciables

G = 20000 Tn/m2

Límite para máquinas

1000 10000

FRECUENCIA DE OPERACION (r.p.m.)

1

10D

ES

PL

AZ

AM

IEN

TO

S M

AX

IMO

S (

x 0

.1 m

m)




G = 8000 Tn/m2


apreciablesfácilmenteVibraciones

Vibracionesproblemáticas

para laspersonas

para laspersonas

severasVibraciones

Límite para máquinas

FRECUENCIA DE OPERACION (r.p.m.)

DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS PUNTUALESCENTRAL TERMICA DE VENTANILLA, LIMA

10

1

1.00

0.1

1000 10000

Figura 7: Planta y elevación C.T. Calana. Tacna.

3.60

1.80 1.80

5.50

11.00

5.50

C.G. DE LAMAQUINARIA

PTO.1 PTO.2

PTO.3

X

PLANTA

PTO.2

PTO.3

C.G. EJE DELAMAQUINARIA

M z

yM

PTO.1

1.80

2.50

3.60

PERFIL

Z

Υ

FRECUENCIAS NATURALES DE VIBRACIONCENTRAL TERMICA DE CALANA, TACNA

modo rotacionaleje longitudinal

eje transversalmodo rotacional

modo torsional



5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

020000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

MODULO DE CORTE (Tn/m2)

x

+

+

xx

xx

++

xx

++

x

+

FR

EC

UE

NC

IAS

NA

TU

RA

LE

S (

R.P

.M.)



ROTACION - EJE TRANSVERSAL(720 rpm)

(360 rpm)ROTACION - EJE LONGITUDINAL

ROTACION TORSIONAL(720 rpm)

20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

0

5E-08

1E-07

1.5E-07

2E-07

2.5E-07


+

+

xx

xx

++

++

xx x

+

RO

TA

CIO

NE

S M

AX

IMA

S (

rad

)

+

+

x

AMPLITUDES MODALES DE VIBRACIONCENTRAL TERMICA DE CALANA, TACNA

Figura 8: Variación de las frecuencias y amplitudes modales de vibracióncon el módulo de corte C.T. Calana, Tacna.

Figura 9: Variación de los desplazamientos máximos con el módulo de corte C.T.Calana, Tacna.





1.6E-06

1.4E-06

1.2E-06

1E-06

8E-07

6E-07

4E-07

2E-07

020000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

DESPLAZAMIENTOS MAXIMOS PUNTUALESCENTRAL TERMICA DE CALANA, TACNA

DE

SP

LA

ZA

MIE

NT

OS

MA

XIM

OS

(m

)


x

x

xx

xx

xx

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