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01 2012-09-20 MEMO A. MEMO A. GUERINI A. Revis ado s egn c arta IG-ISG/OT-P-1417
00 2012-03-22 GUERINI A. MEMO A. GUERINI A. Primera Emis in
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DESCARGA DE FONDO
COMPUERTA DE GUARDA
ESTRUCTURA COMPUERTA Y MARCO
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ATB JOB nr 300000070 AUTHOR GUERINI A.
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Telefax (+39) 030.2581222
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PROYECTO HIDROELCTRICOSOGAMOSO II
DESCARGA DE FONDO
COMPUERTA DE GUARDA
ESTRUCTURA COMPUERTA Y MARCO
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INDICE
1.
OBJETO --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
2. NORMAS DE REFERENCIA ---------------------------------------------------------------------------------------------- 4
3. PLANOS Y DOCUMENTOS DE REFERENCIA ------------------------------------------------------------------------- 5
3.1. Planos ATB --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
4. DATOS DE DISEO ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
5. CONDICIONES DE DISEO ---------------------------------------------------------------------------------------------- 7
5.1. Condiciones normales de carga (caso NB segn DIN19704) ------------------------------------------------------------ 7
5.2. Condiciones especiales de carga (caso BB segn DIN 19704) ---------------------------------------------------------- 7
5.3. Seleccin de la condicin de diseo para la estructura ------------------------------------------------------------------ 7
6.
MATERIALES Y MXIMOS ESFUERZOS DE TRABAJO ------------------------------------------------------------ 9
6.1. Materiales ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
6.2. Esfuerzos mximos de trabajo -------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
6.3. Deflexin mxima admisible para estructuras ----------------------------------------------------------------------------- 9
7. VERIFICACION DE LA COMPUERTA ---------------------------------------------------------------------------------10
7.1. Esquema de carga y esquema del tablero ---------------------------------------------------------------------------------- 10
7.2.
Viga horizontal superior --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12
7.3. Viga horizontal tpica ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16
7.4. Viga horizontal inferior ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19
7.5. Chapa del tablero (Panel tpico) ----------------------------------------------------------------------------------------------- 22
7.6. Conexin entre la viga superior y el vstago del servomotor --------------------------------------------------------- 24
7.7. Presin de contacto patines laterales --------------------------------------------------------------------------------------- 26
8. VERIFICACION DEL LA CAJA DE LA COMPUERTA ----------------------------------------------------------------27
8.1. Esquema de carga ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27
8.2. Verificacin de las vigas horizontales ---------------------------------------------------------------------------------------- 29
8.3. Chapa de la caja ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32
9.
VERIFICACION DE LA TAPA DE LA CAJA ----------------------------------------------------------------------------34
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1. OBJETO
La presente nota tiene como objeto el clculo estructural de la compuerta de guarda del tnel de la
descarga de fondo. La compuerta deslizante es accionada por un servomotor hidrulico de doble efecto.La compuerta debe abrir en condicin de carga equilibrada y el cierre contra flujo debe ser garantizado.
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2. NORMAS DE REFERENCIA
La compuerta de guarda del tnel de la descarga de fondo est diseada de acuerdo con los puntos
3.2.1, -Esfuerzo de trabajo- de las Especificaciones Tcnicas y segn la norma DIN 19704, Edicin 1976.
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3. PLANOS Y DOCUMENTOS DE REFERENCIA
3.1. Planos ATB
Cdigo Cliente Descripcin Cdigo ATB
SOG-DFO-COMP-P-001 300000070-D-0901 Conjunto
SOG-DFO-COMP-P-003 300000070-D-0903 Marco
SOG-DFO-COMP-P-004 300000070-D-0904 Caja
SOG-DFO-COMP-P-005 300000070-D-0905 Tapa
SOG-DFO-COMP-P-006 300000070-D-0906 Tablero
SOG-DFO-COMP-P-007 300000070-D-0907 Sellos de estanqueidad
SOG-DFO-COMP-P-008 300000070-D-0908 Servomotor
SOG-DFO-COMP-P-009 300000070-D-0909 By-pass
SOG-DFO-COMP-P-010 300000070-D-0910 Tubera de aireacin
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4. DATOS DE DISEO
Numero de tneles de descarga de fondo ...................................................................................... 1
Numero de compuertas cada tnel ................................................................................................. 1
Ancho del vano libre .............................................................................................................. 3.40 m
Altura del vano libre ................................................................................................................ 4.45 m
Ancho de la compuerta ....................................................................... 3.65 m (entre sellos laterales)
Altura de la compuerta ............................................................................... 4.64 m (al sello de dintel)
Cota del umbral ........................................................................................................... 167.52 msnm
Nivel mximo de operacin .......................................................................................... 320.00 msnm
Nivel mximo extraordinario ........................................................................................ 330.00 msnm
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5. CONDICIONES DE DISEO
La compuerta est instalada aguas arriba de la compuerta radial en el tnel de la descarga de fondo y
ser calculada para las siguientes condiciones de carga.
5.1. Condiciones normales de carga (caso NB segn DIN19704)
Compuerta cerrada con la carga hidrosttica correspondiente al nivel mximo de operacin 320.00 msnm
(ver las Especificaciones Tcnicas par. 3.6.3.1).
5.2. Condiciones especiales de carga (caso BB segn DIN 19704)
La compuerta debe ser calculada para tres condiciones de carga especial (ver las Especificaciones
Tcnicas par 3.6.3.2):
BB1 Compuerta cerrada y nivel mximo extraordinario del embalse 330.00 m snm.
BB2 Cierre de la compuerta contra flujo con nivel mximo de operacin del embalse 320.00 m snm.
5.3. Seleccin de la condicin de diseo para la estructura
Condiciones NB
La carga hidrosttica sobre el tablero con nivel mximo de operacin 320.0 m snm es igual a:
Donde . ........................................................................ Carga hidrosttica .............................................................. distancia entre los sellos de dintel y de umbral ..........................................................................................peso especifico del agua .................................................................................. distancia entre los sellos laterales
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Condicin BB1
La carga hidrosttica con nivel mximo extraordinario del embalse 330.0 m snm se calcula segn la
siguiente frmula:
Donde
. ........................................................................ Carga hidrosttica
Condicin BB2
La carga hidrosttica es igual al caso NB:
Por lo tanto entre las condiciones especiales con carga hidrosttica, la ms gravosa se verifica en casode nivel mximo extraordinario.
Para la seleccin de la condicin de clculo de la compuerta se comparan las cargas y los esfuerzos
admisibles para la condicin normal y especial:
Segn el prrafo 3.2.1 de las Especificaciones Tcnicas los esfuerzos admisibles son:
Compresin:
Tensin:
Corte:
La comparacin indica que, siendo , si la estructura est verificada parala condicin normal NB est tambin verificada para las condiciones especiales de carga, por lo tanto el
tablero ser calculado para la carga esttica correspondiente al nivel mximo de operacin.
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6. MATERIALES Y MXIMOS ESFUERZOS DE TRABAJO
6.1. Materiales
Pieza Form a Tipo de acero
Espesor o
dimetr o
(mm)
Esfuerzo de
rotura
SR (MPa)
Lm it e d e
Fluencia
SY (MPa)
Estructura deltablero
Chapas y
perfilesS355J2 EN 10025
t 16
470
355
16< t 40 345
40< t 63 335
100< t 150 295
150< t 200 285
Patines ChapasASTM B21 tipo 464
H02 y O5025< t 50 400 180
Tab. 1
6.2. Esfuerzos mximos de trabajo
Con referencia al par. 3.2.1 de las Especificaciones Tcnicas los esfuerzos admisibles de trabajo para
los componentes estructurales y mecnicos son los siguientes:
a) Esfuerzos mximos de trabajo para componentes estructurales
Tipo d e esfuerzoCondic in de carga
Normal Especial
Compresin y/o compresin en flexin, si existe posibilidad de falla por pandeo o vuelco 60 70
Tensin y/o tensin en flexin 70 79
Cortante 35 40
Biaxial combinado, segn formula de DIN 19704 79 85
Biaxial combinado, dentro de la chapa del tablero (skin plate) segn frmula de DIN 19704 85 90
Tab. 2
b) Esfuerzos mximos de trabajo para elementos mecnicos
Tipo d e esfuerzoCondic in de carga
Normal Especial
Esfuerzos principales en tensin 40 50
Esfuerzos principales en compresin 40 50
Esfuerzo cortante 23 29
Tab. 3
6.3. Deflexin mxima admisible para estructuras
1/600 de la luz
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7. VERIFICACION DE LA COMPUERTA
7.1. Esquema de carga y esquema del tablero
La carga hidrulica acta sobre la superficie del tablero incluida entre los sellos laterales (LS) y los sellosde umbral y dintel (YC).
Hn
Y
o=4450
Yg=4640
Lv=3400
Ls=3650
Fi g. 1
Donde:
. ........................................................................ Carga hidrosttica
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780
640
640
640
640
640
660
Yg=46
40
VIGA SUPERIOR
VIGA TIPICAVIGA INFERIOR
Ls=3650
865
q
q
100
q
q
Fi g. 2
La verificacin incluye:
- Viga horizontal superior
- Viga horizontal tpica
- Viga inferior de umbral
- Chapa del tablero
- Conexin entre la viga superior y el vstago del servomotor
Considerando la presin hidrosttica sobre el tablero soportado por las vigas horizontales (fig. 2) la
presin de cada viga se calcula del siguiente modo:
Cada viga est cargada por una carga distribuida igual a:
Donde es la porcin del tablero soportado por la viga horizontal que depende de la distancia entredos vigas horizontales.
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7.2. Viga horizontal superior
Para la viga superior (ver fig.2):
Las secciones de clculo son las siguientes:
A
A
B C
CBRSRS
Ls
213*
270
2Bs'
164
38* 750 50
A-A B-B
2Bs'
48*
270
38* 750 50
180
(*) incluida la reduccion de 2 mm para prevenir la corrosion
e1 e2
e1 e2C-C
180
2Bs'
435
403*
365 385
c1
c2
Fi g. 3
De acuerdo a la norma DIN 19704 Ed. 76prrafo 6.5.2.1 fig. 2, la porcin cooperante de la membrana
del tablero se calcula del siguiente modo:
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Las caractersticas de las secciones resistentes son las siguientes:
A-A B-B C-C
Momento de inercia J [mm4] rea A [mm2] Modulo resistente aguas arriba W1 [mm
3] Modulo resistente aguas abajo W2 [mm
3] Momento esttico S [mm3] Distancia baricentro aguas arriba e1 [mm] Distancia baricentro aguas abajo e2 [mm]
Tab. 4
Seccin A-A
Momento de flexin:
Compresin axial de la viga debida a la presin hidrosttica que acta sobre las chapas laterales deltablero:
Momento flector debido a la compresin axial:
Mximo esfuerzo de traccin en el ala aguas abajo:
Mximo esfuerzo de compresin en el ala aguas arriba:
El corte es cero.
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Seccin B-B
Momento de flexin:
donde
............................................................................ distancia entre patn y seccin B-BCompresin axial de la viga debida a la presin hidrosttica que acta sobre las chapas laterales del
tablero:
Momento flector debido a la compresin axial:
Mximo esfuerzo de traccin en el ala aguas abajo:
Mximo esfuerzo de compresin en el ala aguas arriba:
El corte en la seccin B-B:
Mximo esfuerzo de corte:
donde:
......................................................................................... espesor de la alma de la vigaMximo esfuerzo combinado (por seguridad se consideran el mximo esfuerzo debido a la flexin y el
mximo esfuerzo de corte):
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Seccin C-C
Momento de flexin:
donde
.............................................................................. distancia entre patn y seccin C-CLa compresin axial de la viga debida a la presin hidrosttica que acta sobre las chapas laterales del
tablero se puede considerar despreciable.
Mximo esfuerzo de traccin y de compresin en la seccin:
El corte en la seccin B-B:
Mximo esfuerzo de corte:
Mximo esfuerzo combinado:
Deflexin mxima
La deflexin mxima de la viga es calculada conservativamente del siguiente modo considerando la
seccin B-B tambin en la seccin mediana:
Donde:
............................................................................. modulo de elasticidad del acero
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7.3. Viga horizontal tpica
Para la viga tpica se considera la ms cargada (ver fig.2):
Las secciones de clculo son las siguientes:
A
A
B
B RSRS
Ls
A-A
2Bt'
25
300
38* 750 50
180
(*) incluida la reduccion de 2 mm para prevenir la corrosion
e1 e2B-B
180
2Bt'
c1
Fi g. 4
De acuerdo a la norma DIN 19704 Ed. 76prrafo 6.5.2.1 fig. 2, la porcin cooperante de la membrana
del tablero se calcula del siguiente modo:
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Las caractersticas de las secciones resistentes son las siguientes:
A-A B-B
Momento de inercia J [mm4] rea A [mm2] Modulo resistente aguas arriba W1 [mm
3] Modulo resistente aguas abajo W2 [mm
3] Momento esttico S [mm3] Distancia baricentro aguas arriba e1 [mm] Distancia baricentro aguas abajo e2 [mm]
Tab. 5
Seccin A-A
Momento de flexin:
Compresin axial de la viga debida a la presin hidrosttica que acta sobre las chapas laterales del
tablero:
Momento flector debido a la compresin axial:
Mximo esfuerzo de traccin en el ala aguas abajo:
Mximo esfuerzo de compresin en el ala aguas arriba:
El corte es cero.
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Seccin B-B
Momento de flexin:
donde
.............................................................................. distancia entre patn y seccin B-BLa compresin axial de la viga debida a la presin hidrosttica que acta sobre las chapas laterales del
tablero se puede considerar despreciable.
Mximo esfuerzo de traccin y de compresin en la seccin:
El corte en la seccin B-B:
Mximo esfuerzo de corte:
Mximo esfuerzo combinado:
Deflexin mxima
La deflexin mxima de la viga es calculada del siguiente modo:
Donde:
............................................................................. modulo de elasticidad del acero
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7.4. Viga horizontal inferior
Para la viga inferior:
Las secciones de clculo son las siguientes:
A
A
B
B RSRS
Ls
A-A
180
(*) incluida la reduccion de 2 mm para prevenir la corrosion
B-B
180
2Bi'
c1
5038* 750
2Bi'
e1 e2
G x
y
Fi g. 5
De acuerdo a la norma DIN 19704 Ed. 76prrafo 6.5.2.1 fig. 2, la porcin cooperante de la membrana
del tablero se calcula del siguiente modo:
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Las caractersticas de las secciones resistentes son las siguientes (para la seccin A-A el clculo ha sido
efectuado con el software CAD):
A-A B-B
Momento de inercia JY [mm4]
rea A [mm2] Modulo resistente aguas arriba W1 [mm3] Modulo resistente aguas abajo W2 [mm
3] Momento esttico S [mm3] Distancia baricentro aguas arriba e1 [mm] Distancia baricentro aguas abajo e2 [mm]
Tab. 6
Seccin A-A
Momento de flexin:
Compresin axial de la viga debida a la presin hidrosttica que acta sobre las chapas laterales del
tablero:
Momento flector debido a la compresin axial:
Mximo esfuerzo de traccin en el ala aguas abajo:
Mximo esfuerzo de compresin en el ala aguas arriba:
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El corte es cero.
Seccin B-B
Momento de flexin:
donde
.............................................................................. distancia entre patn y seccin B-BLa compresin axial de la viga debida a la presin hidrosttica que acta sobre las chapas laterales del
tablero se puede considerar despreciable.
Mximo esfuerzo de traccin y de compresin en la seccin:
El corte en la seccin B-B:
Mximo esfuerzo de corte:
Mximo esfuerzo combinado:
Deflexin mxima
La deflexin mxima de la viga es calculada del siguiente modo:
Donde:
............................................................................. modulo de elasticidad del acero
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7.5. Chapa del tablero (Panel tpico)
La verificacin de la chapa del tablero es ejecutada segn la DIN19704 par 6.5.2.2.
El panel considerado est incluido entre la viga inferior y la viga tpica (ver prrafo 7.3). En figura 6 est
representado lo esquema de los esfuerzos actuantes.
Fig. 6
Los esfuerzos sobre el panel son calculados segn la DIN 19704/pr. 6.5.2
donde:
................................................................ presin mxima que acta sobre el tablero .......................................................................................... longitud mnima del panel ............................................................................................ longitud mxima del panel ........................................................................................... espesor de clculo del panel
Los valores de los coeficientes para el ratio son los siguientes:
a
b
sC_A-A
s4y
s4x
s3x
sC_A-A
s3ys1xs1y
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Los esfuerzos combinados sobre los paneles son calculados considerando el mximo esfuerzo entre la
viga y por la formula:
donde:
.................................................................. esfuerzo de la viga horizontal tpica
Por lo tanto los esfuerzos combinados sobre los paneles resultan los indicados en la siguiente tabla:
COMB,1[MPa]
COMB,3[MPa]
COMB,4 [MPa]
EXTRADS INTRADOS EXTRADS INTRADOS EXTRADS INTRADOS
131.5 74.6 28.5 190.9 144.1 114.8
Tab. 7
El esfuerzo mximo admisible es
La verificacin es satisfactoria.
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7.6. Conexin entre la viga superior y el vstago del servomotor
Fa
Fc
48*
213*
300
550
5050
Flujo
200 20050
48*
164
430
320
(*) incluida la reduccion de 2 mm para prevenir la corrosion
Fi g. 7
La fuerza debida al servomotor puede ser considerada absorbida da los refuerzos verticales, entonces la
conexin entre el vstago del servomotor y la compuerta puede ser representado por lo siguiente
esquema:
Fig. 8
La verificacin ha sido ejecutada para el cierre de la compuerta que es la condicin ms gravosa (ver
memoria de clculo SOG-DFO-COMP-D-001 / 300000070-N-0901).
Momento de flexin en el eje del chato de juncin:
Mximo esfuerzo de traccin y de compresin:
Esfuerzo de corte mximo:
Fc/2 Fc/2
d1=232
d2=550
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El mximo esfuerzo combinado ha sido calculado considerando los esfuerzos debidos a la presinexterna tambin (ver prrafo 7.2): por la seguridad se ha considerado el mximo esfuerzo de compresin
de la viga horizontal superior en la seccin A-A y los mximos esfuerzos de flexin y corte del chato de
juncin.
Donde:
..................................................................................................... ver prrafo 7.2
Considerando la fuerza debida al servomotor completamente absorbida da los refuerzos verticales, elmximo esfuerzo de compresin entre estos refuerzos es:
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7.7. Presin de contacto patines laterales
130
140
ppat
COMPUERTA
MARCO
Fi g. 9
Presin de contacto:
Donde:
.................................................................................................... ver prrafo 5.3 ............................................................. distancia entre los sellos de dintel y de umbral
.............................................................................. ancho de contacto de los patines
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8. VERIFICACION DEL LA CAJA DE LA COMPUERTA
De acuerdo con las especificaciones tcnicas, Capitulo 3 prrafo 3.6.7.3, la caja de la compuerta ha
sido diseada para resistir una presin externa de 152 m snm (HC).
8.1. Esquema de carga
N2
N1
E
A
B
L=3940
B=960
447(tipic
o)
3
8
618
32
B=960365
C
D
2B=485(t
ipico)
ME
MDMA
ME
Lm=830
475
25
PANEL DE LA CAJA
Fig. 10
El clculo de los momentos de flexiones y de las fuerzas axiales en la secciones muestreadas en la
figura 10 ha sido efectuado de acuerdo al libro Rahmenformeln por A. Kleinlogel W. Haselbach.
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Fig. 11
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8.2. Verificacin de las vigas horizontales
Segn la norma DIN 19704 Ed. 76prrafo 6.5.2.1 fig. 2, la porcin cooperante de la membrana del
tablero ha sido calculada en correspondencia de la seccin E (seccin con la menor parte cooperante de
la membrana y, por seguridad, se considera la misma parte cooperante tambin en las secciones A y B)
y se calcula del siguiente modo:
Seccin resistente:
L2
H1H2
B'
e2
.
H
W2 W1
e1
INTERIOR
EXTERIOR
HC
Fig. 12
Datos geomtricos de la seccin:
Caractersticas geomtricas de la seccin:
Momento de inercia J [mm4] rea A [mm2] Modulo resistente lado interior W1 [mm
3] Modulo resistente lado exterior W2 [mm
3] Momento esttico S [mm3] Distancia baricentro lado interior e1 [mm]
Distancia baricentro lado exterior e2 [mm] Tab. 8
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La carga distribuida considerada en el clculo es:
donde . ...................................................................................................... carga hidrosttica ..........................................................................................peso especifico del agua . .............................................................................. distancia entre vigas de refuerzos
Calculo de los momentos de flexiones:
Calculo de las fuerzas axiales:
La presin que acta sobre la caja puede ser interna o externa tambin, para este razn la verificacin ha
sido efectuada considerando el esfuerzo admisible menor (compresin).
Seccin E-E- Viga horizontal
Mximo esfuerzo combinado:
Seccin E-E- Viga vertical
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Mximo esfuerzo combinado:
Seccin A-A
El corte es cero.
Seccin B-B
El corte es cero
Deflexin mxima
La deflexin mxima de la viga es calculada del siguiente modo:
Donde:
............................................................................. modulo de elasticidad del acero
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8.3. Chapa de la caja
La verificacin de la chapa de la caja ha sido ejecutada, segn la DIN19704 par 6.5.2.2, en el panel de la
viga lateral muestreado en la fig. 10.
En figura 13 est representado lo esquema de los esfuerzos actuantes.
Fig. 14
Los esfuerzos sobre el panel son calculados segn la DIN 19704/pr. 6.5.2
donde
.................................................. presin mxima que acta sobre el tablero
............................................................................................. longitud mnima del panel
............................................................................................ longitud mxima del panel ........................................................................................... espesor de clculo del panelLos valores de los coeficientes para el ratio son los siguientes:
b
a
sB.int
s3x
s3y
s4y sB.int
s4x
s1y
s1x
Fi g. 13
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Los esfuerzos combinados sobre los paneles son calculados considerando el mximo esfuerzo entre la
viga y por la formula:
Donde
..................................................................... esfuerzo de la viga horizontal tpica
Por lo tanto los esfuerzos combinados sobre los paneles resultan los indicados en la siguiente tabla:
COMB,1[MPa]
COMB,3[MPa]
COMB,4[MPa]
EXTRADS INTRADOS EXTRADS INTRADOS EXTRADS INTRADOS
148.5 110.1 162.3 132.0 53.5 202.2
Tab. 9
El esfuerzo mximo admisible es
La verificacin es satisfactoria.
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9. VERIFICACION DE LA TAPA DE LA CAJA
La tapa de la caja del marco de la compuerta ha sido verificada en la peor condicin: mxima presin
hidrosttica con mxima fuerza ejercitada por el servomotor.
El esquema de carga es lo siguiente:
qtor
PSER PSER
EJE DEL TORNILLO
(PASO 195 mm)
Lt=1220
Lp=1012.6ht=130
PSERPSER
qtor
Lp=1012.6
Lt=1220
bp=227,5
Fig. 15
Datos:
....................................... cierre del servomotor (ver doc. SOG-DFO-COMP-D-001) .................................................................................................. carga hidrosttica ................................................................................................... paso de los tornillos ............................................................................ numero de tornillos cada lado ms largo .............................................................................. rea resistente de los tornillos ............................................................................... material de los tornillos
Por seguridad las fuerzas debidas a la presin hidrosttica y al servomotor se consideran soportadas por
los tornillos de los dos lados ms largos de la tapa (no se consideran los tornillos de los lados minores).
Para el clculo del esfuerzo debido a la carga hidrosttica se considera una porcin de tapa de ancho
igual al paso de los tornillos:
la fuerza mxima y el esfuerzo en cada tornillo es la siguiente:
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Momento de flexin de la tapa:
El esfuerzo mximo de flexin ha sido calculado considerando solamente la chapa inferior de la tapa del
marco:
El esfuerzo de corte mximo ha sido calculado en correspondencia de los agujeros de los tornillos: