Proyecto Parcial 2015 diseño.pdf

March 17, 2018 | Author: Richard Villón | Category: Steel, Design, Elevator, Aluminium, Water


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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORALFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCION DISEÑO MECANICO 1 PROYECTO PARCIAL DISEÑO DEL SISTEMA MECANICO PARA UN EMBALSE MEDIANTE UNA COMPUERTA TAINTOR. Nombre: Juan Carlos Yencón Velasco Luis Daniel Zambrano Palma Richard Jairo Villón Barona Giovanny Andrés Villao Alejandro Profesor: Ing. Federico Camacho Brausendorff Fecha: 16-Julio-2015 I Termino 2015-2016 1 TABLA DE CONTENIDO 1. RESUMEN .................................................................................................................................... 3 2. INTRODUCCION .......................................................................................................................... 3 3. OBJETIVOS................................................................................................................................. 10 4. DISEÑO DE FORMA DEL SISTEMA Y SUS COMPONENTES ....................................................... 10 5. DEFINICIÓN DE CAPACIDADES DE LA COMPUERTA TAINTOR ................................................. 13 6. DISEÑO DE FORMA DETALLADO DE COMPUERTA TAINTOR................................................... 15 7. SISTEMA DE APERTURA DE LA COMPUERTA ........................................................................... 24 8. DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS SOBRE EL SISTEMA MECÁNICO. ...................................... 26 2 Con el fin de lograr el control de flujo. Se parte del diseño de forma del sistema. luego se contemplaran diferentes ámbitos como la definición de las capacidades de la compuerta. Para los diferentes elementos del Sistema Mecánico se requiere que se emplee criterios de diseño y/o selección. RESUMEN Este proyecto forma parte del curso de Diseño Mecánico 1 con el cual se busca aplicar los conocimientos obtenidos a lo largo del curso.1. mediante una compuerta radial. el entorno en el cual se desempeñara el sistema. también conocida como Taintor. El proyecto consiste en el diseño de un sistema mecánico para un embalse de agua de 12 m de altura. tanto de material como del dimensionamiento del mismo. llevándonos hacia un diseño de forma más detallado. Para este proyecto se partió de un diseño de un sistema mecánico para almacenar agua cruda en un embalse de 12m de altitud. etc. abastecimiento de agua para uso doméstico o industrial. especificación técnica de materiales utilizados. como podrían ser las características técnicas del diseño. que son diferentes de las puertas en el sentido de que se reúnan 3 . para almacenar agua para el riego o la generación de energía. Finalmente se analizará toda la información técnica obtenida para la selección de la solución del problema analizado. para poder controlar y regular el pasaje de agua a través de un canal. una puerta o una obturación en el que se proporciona una hoja o un elemento de cierre se colocan a través de la vía acuática desde una posición externa para controlar el flujo de agua. haciendo los cambios respectivos. 2. tales como tubería de carga de transporte de agua para energía hidroeléctrica también se hace por medio de válvulas. El control de flujo en tuberías cerradas. INTRODUCCION Todos los proyectos de recursos hídricos tienen como fin un depósito o la desviación del agua para el control de las inundaciones. se obtuvo el siguiente análisis y solución al requerimiento. además de las normas que rijan los diferentes ámbitos del diseño. Las liberaciones de agua también pueden ser llevadas a cabo por los dispositivos de control previstos en los conductos en el cuerpo de la presa y los túneles. también se analizará los factores de influencia. principalmente la seguridad. facilidad de operación. túneles. mientras que las puertas requieren una unidad independiente o equipos de elevación. Descarga a través de la puerta 6. Forma de la puerta 5. Impulso para operar 4 . Es esencial para el ingeniero ser consciente de los diferentes factores que afectan en gran medida la elección de las puertas y elevadores y ayudaría en la selección de los mismos. compuertas. reguladores. Tipo de paso del flujo con el que conectarse y su ubicación 7. Características de cierre 10. Ubicación de la puerta con respecto a la superficie depósito de agua 2. Los diferentes tipos de puertas y elevadores hidráulicos. Ubicación de la placa 9. Modo de funcionamiento 4. Aunque la elección de las puertas y elevadores depende de varios factores.con el equipo de conducción. Un diseñador tiene que planear una puerta y la disposición de elevación juntos. 2. conductos. Material utilizado en la fabricación 3. tomas de aire. Criterios de selección de una Compuerta El departamento de estándar de India en su código 13623: 1993 "Criterios para la elección de las puertas y montacargas" proporciona la clasificación básica de las puertas. así como el mantenimiento y la economía son los requisitos que rigen en el mismo orden. que se podrá hacer de acuerdo a los siguientes criterios: 1.1. trabajando en diferentes principios y mecanismos se utilizan para la liberación controlada de agua a través de vertederos. Ubicación del sello 8. etc. Figura 3: Tipo de compuertas según las condiciones de flujo 5 . Las condiciones físicas.) sobre la cual se instala (figura1). y como emergencia y cierre para mantenimiento en los otros. y se utiliza en la mayoría de los casos para la regulación de caudales. plana o curva. canal. Éstas se diseñan de diferentes tipos y con variadas características en su operación y en su mecanismo de izado. cuando están bien calibradas. imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas. también pueden emplearse como medidores de flujo.2. evaluadas apropiadamente. hidráulicas. los cuales permiten clasificarlas en grupos generales de la siguiente manera: a. climáticas y de operación. Clasificación de las Compuertas Una Compuerta es una placa móvil. que al levantarse. forma un orificio entre su borde inferior y la estructura hidráulica (presa. etc. Compuerta con descarga sumergida o ahogada. Figura 2: Ejemplo de Compuerta Taintor Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y. Según las condiciones del flujo aguas abajo:   Compuerta con descarga libre.2. como en condiciones de presión equilibrada. debido a las propiedades hidrostáticas de una superficie cilíndrica. De acuerdo a sus características geométricas:  Compuertas planas: 1. en las compuertas radiales el agua actúa en el lado convexo y. y con una forma tal que. ocupa un recinto dentro de la estructura de la presa. y giran alrededor de un pivote o eje horizontal situado en el eje longitudinal de la superficie cilíndrica. en obras de captación y en canales de riego. ·Cuadradas 3.  Compuertas curvas o alabeadas: Radiales: También llamadas compuertas Taintor. etc.  Compuertas de emergencia: Se utilizan en los eventos de reparación. tienen la forma de una porción de cilindro. ·Circulares 4.b. se les llama de regulación cuando se les conciben para controlar caudales en un canal abierto o sobre una estructura de presa. Generalmente. c. Tambor: Consisten en una estructura hermética de acero. la fuerza requerida para levantar la compuerta es la necesaria para vencer el peso propio de la misma y la fricción en los apoyos. sin interrumpir el perfil de dicha cresta. y se conocen como compuertas de guarda o de cierre aquellas que funcionan completamente abiertas o cerradas. En consecuencia. en conductos a presión. abisagrada en la cresta de rebose de un vertedero de presa. Este tipo de compuerta se usa en vertederos de presa. 6 . cuando está en su posición más baja. Por su forma algunas veces se les llama compuerta Sector. con aberturas parciales. ·Rectangulares 2. siendo concebidas para funcionar tanto en condiciones de presión diferencial. la línea de acción del empuje hidrostático resultante pasa a través del pivote o centro de giro. ·Triangulares. Según el tipo de operación o funcionamiento: Compuertas Principales: Se diseñan para operar bajo cualquier condición de flujo. inspección y mantenimiento de las compuertas principales. donde se les hace mantenimiento. para que forme un sello con la cresta del vertedero. La compuerta se iza rodando hacia arriba. La hoja de la compuerta o elemento de obturación se acciona con un mecanismo elevador. evitando el paso de la corriente. hasta la posición de estanca. ni volantes. debido al empuje de flotación. o de una torre cilíndrica de captación de un embalse. en conductos a presión. se construyen en acero colado. Figura 4: Compuerta Tipo Tambor Cilíndricas: Consisten en un cilindro de acero que se extiende entre los estribos de un vertedero de presa. fuera de la superficie del agua. - Según el mecanismo de izado: Compuertas deslizantes: El elemento de cierre u obturación se mueve sobre superficies deslizantes (guías o rieles) que sirven. así como para cierre en mantenimiento. Se utilizan en obras de toma profunda. hasta una caseta de operación. Este mecanismo de operación constituye cierta ventaja sobre los otros tipos de compuerta. y se emplean en estructuras de canales y en algunas obras de captación. rodillos o de engranajes. permitiendo el engranaje entre los dientes y las cremalleras en los extremos. en los cuales está adosada una cremallera dentada e inclinada. a la vez. El control de flujo en tuberías cerradas. tales como 7 . puesto que no requiere de superestructuras que incluyan grúas. en presas o tanques de regulación. Generalmente.Si el líquido penetra a dicho recinto. - Compuertas rodantes: El elemento de cierre u obturación se mueve sobre un tren de ruedas. la compuerta se levanta por encima de la cresta. este tipo de compuerta se usa económicamente sobre grandes luces en proyectos especiales. Generalmente. se le coloca un borde longitudinal de acero en un punto apropiado de su periferia. Con el fin de lograr el control de flujo. a través de un vástago o flecha de acero. para su manejo. Ruedan a su posición de sello debido a su propio peso y se izan con cadenas o cables por medio de grúas especiales. para casos de emergencia y de servicio. cables. cuando la compuerta está en la posición más baja. En virtud de la gran resistencia de una estructura cilíndrica (con apropiados esfuerzos interiores). de apoyo y sello. d. una puerta o una obturación en el que se proporciona una hoja o un elemento de cierre se colocan a través de la vía acuática desde una posición externa para controlar el flujo de agua. Elevación Hidráulica: La fuerza neta que actúa sobre una puerta en la dirección vertical hacia arriba en condiciones hidrodinámicas. Terminología asociada al proyecto Algunas de las terminologías importantes asociados con las puertas se indican a continuación. la transferencia de carga de puerta a su estructura que lo rodea. Bloques de empuje: Un miembro estructural previsto en una hoja de transferencia de carga de agua de la puerta con una placa de apoyo. Guía de rodillos: Son los rodillos en los lados de una puerta para restringir su lateral y / o transversal movimiento. Eje de la articulación: El eje alrededor del cual gira una compuerta radial. que son diferentes de las puertas en el sentido de que se reúnan con el equipo de conducción. que es normal a la dirección. Elevador de la puerta: El recorrido vertical máximo de una puerta por encima del umbral de la puerta. 2. Contra peso: Un peso utilizado para oponerse al peso muerto de una puerta a fin de reducir la capacidad de elevación. Anclaje: Incrustado miembro estructural. Un contador de peso también puede ser utilizado para hacer "cierre automático" de la puerta. mientras que las puertas requieren una unidad independiente o equipos de elevación.tubería de carga de transporte de agua para energía hidroeléctrica también se hace por medio de válvulas. Guía: Es la parte de un marco de puerta que restringe el movimiento de una puerta en la dirección normal al empuje del agua. Ganchos de elevación: Son miembros estructurales situados en la puerta para facilitar el manejo de la puerta durante el montaje. También podría ser un elemento de la estructura diseñada para la transferencia al muelle o el pilar de ese componente de empuje del agua sobre una compuerta radial. Bloqueo: Un receso temporal o apertura a la izquierda en la estructura circundante de una puerta para la instalación de las piezas incrustadas de una puerta. Borde: El segmento más inferior de una puerta que es una forma adecuada de la consideración hidráulica. 8 .3. lo que ayudaría a comprender el funcionamiento de las puertas más de cerca. Guía de zapatas: Es un dispositivo montado en una puerta para restringir su movimiento en una dirección normal al empuje del agua. instalación u operación. Un sello de fondo es el que se proporciona en la parte inferior de la puerta. Marco: Un elemento de la estructura incrustada en la estructura que rodea el apoyo de una puerta. Percha: Un dispositivo destinado a la suspensión o el apoyo a una puerta en la posición abierta cuando se desconecta de su mecanismo de elevación. lateral y superior): Un sello es un dispositivo para prevenir la fuga de agua en la periferia de una puerta. La válvula de llenado: Es una válvula fija en una puerta para crear condiciones de equilibrio la cabeza del agua para la operación de la puerta. siempre en la ranura de la puerta y sus alrededores para una instalación de la cabeza medio o alto. Placa membrana: Una membrana que transfiere la carga de agua en una puerta a los otros componentes. Tirante de la articulación: Un miembro de la tensión estructural que conecta dos montajes del muñón de una compuerta radial para hacer frente al efecto de la fuerza lateral (perpendicular a la dirección del flujo) Trayectoria de la Placa: Un elemento de la estructura en la que las ruedas de un movimiento de la puerta. Respiradero: Es un conducto de ventilación de tamaño adecuado. 9 . Soporte de la placa: Es una placa metálica fija a la superficie del marco para la transferencia de agua a presión desde el marco de la puerta. Hoja: El cuerpo principal de una puerta que consiste en la placa de la piel. Los sellos secundarios son los que se fijan a los extremos verticales de la hoja de la puerta. Liner: Es un revestimiento de acero en general. que es necesario para habilitar la puerta para realizar la función deseada. Marco de la puerta: Empotramiento incorporado un elemento de la estructura incrustada en la estructura que rodea el apoyo de una puerta.Hidráulico down-pull: Atracción de la fuerza neta que actúa sobre una puerta en la dirección vertical hacia abajo en condiciones hidrodinámicas. Un sello superior es el que se proporciona en la parte superior de una hoja de la puerta o el marco de la puerta. vigas horizontales y vigas de final. siempre en el río abajo de la puerta de ventilación / admisión de aire durante el llenado / vaciado de un conducto o para entregar un suministro continuo de aire para el flujo de agua de una puerta. refuerzos. que es necesario para habilitar la puerta para realizar la función deseada. Pin de articulación: Un eje horizontal sobre el que gira el eje de la articulación . Puerta de la ranura o slot puerta: Una ranura o slot es un receso previsto en la estructura circundante en que se mueve la puerta descansa o asientos. Sello (parte inferior.  Especificar el tipo de material y las características de la compuerta. se utiliza una grúa más pequeña en comparación con otros tipos de puertas. Calcular la fuerza necesaria para abrir la compuerta. Determinar las fuerzas estáticas que se aplican en una compuerta radial.Umbral: Esta es la parte superior de un miembro estructural incrustado en los que descansa la puerta cuando está cerrada. la presión del agua también se aplica una presión al alza bajar la cantidad de elevación requerida. a medida que la puerta se abre y se cierra. 10 . Las vigas verticales (también llamados refuerzos verticales) son los elementos estructurales que abarca verticalmente a través de vigas horizontales de apoyo a la placa de la piel. Los asientos incorporados de roce se montan al ras de la pared para proporcionar una superficie lisa y plana para el sello para estar en contacto con el piso. Por lo tanto. Diseño de Forma Detallado de la compuerta especifica. 3. Vigas Horizontal y vertical: Las vigas horizontales son los principales miembros estructurales de una puerta. que se extiende horizontalmente a la transferencia de la presión del agua de la placa de la piel y los refuerzos verticales (en su caso) a las vigas final o al final los brazos de la puerta. Dado que la hoja se curva. 4. DISEÑO DE FORMA DEL SISTEMA Y SUS COMPONENTES Nuestro diseño de compuerta consiste en  Una hoja curva.  Sellos de goma. OBJETIVOS     Recopilación de Información Técnica para solucionar el requerimiento.  Brazos de soporte La hoja de la puerta es de una construcción soldada que varían en anchura y la altura según sea necesario dependiendo del tamaño de la abertura. La presión del agua aplicada en contra de la hoja curva se transmite a través de los brazos de soporte en el eje integrado en el muro de hormigón. Viga de Elevación: La viga (con un mecanismo de sujeción) suspendido de una grúa de pórtico o un elevador de viaje y se desplaza verticalmente en una ranura de la puerta para la elevación de una puerta o una ventanilla de registro. y deslice. Esquema 11 . Cuenta con un la placa base fuerte.La compuerta radial es uno de los tipos móviles de presas. La puerta es de sección circular y. el agua fluye bajo una puerta placa. junto con las barras de guía. El vertedero se ajusta a las paredes laterales del canal. tiene una barra más con que la puerta se activa. la puerta se puede mover en torno a un punto de apoyo fijo en el la placa base. también puede ser bloqueado en varias posiciones. 12 .  Los miembros finales del marco puede invadir el paso de agua. Esto reduce los problemas asociados a la cavitación. de recogida de residuos. de rodillos puertas. el muelle y la fundación será probablemente más tiempo en el intermedio del que sería necesario para compuertas verticales.  La puerta tipo Mancilla tiene una velocidad de funcionamiento relativamente rápido y se puede funcionar de manera eficiente. Desventajas son las siguientes:  Para dar cabida a la ubicación del muñón.4. Esto es más crítico con marcos de extremo inclinado. La disposición de elevación puede resultar en altos muelles especialmente cuando un cable del sistema de elevación se utiliza.  Los brazos largos del puntal son a menudo necesarios cuando los niveles de inundación son altos para permitir que la compuerta abierta para despejar el perfil de la superficie del agua. Ampliar aumento de costos debido a los muelles de concreto más requerido y por lo general se traducirá en una resistencia sísmica menos favorable debido a la mayor altura y la masa.  La forma radial proporciona una transferencia eficiente de la carga hidrostática a través del muñón. bisagras o puertas de la aleta).1. Ventajas y desventajas de Compuertas tipo Taintor vs Otros tipos de compuertas Ventajas: Las compuertas radiales tienen varias ventajas únicas en comparación con otros tipos de aliviadero de la puerta (puertas de ascensor. y la acumulación de hielo. por lo que las ranuras de la puerta no son necesarios.  La geometría de la puerta Tipo Mancilla ofrece características favorables de descarga hidráulica.  Una menor capacidad de elevación es necesario.  Los sellos secundarios se utilizan. R: Radio de la compuerta radial en metros (1. en metros. 13 . w: Apertura de la compuerta en metros. y: Nivel de altura del cuerpo de agua en metros. en metros.24H).81 m/s^2.43 ] w R 1 + y (0. b: Ancho de la compuerta radial. recomendada en el Documento de Modelación Matemática de la Operación de la Estructura de Control del Rio Carrizal de la UNAM.5. w: Apertura de la compuerta en metros.46 + 0. w: Apertura de la compuerta en metros.8θ w [1 − 0. México. h: Altura del Muñón con respecto a la base de la compuerta. DEFINICIÓN DE CAPACIDADES DE LA COMPUERTA TAINTOR Calculo de Caudal Para este análisis del Gasto másico de del cuerpo de agua del embalse se realizó calculando el coeficiente de descarga propuesta por Cozzo y modificada. y: Nivel de altura del cuerpo de agua en metros. El ángulo ϴ lo obtenemos de la siguiente manera: h−w θ = cos−1 ( ) R Donde: ϴ: Angulo en radianes. R: Radio de la compuerta radial en metros (1.2θ) Donde: ϴ: Angulo en radianes.6 − 0. Finalmente procedemos a calcular el caudal en función de la apertura de la compuerta con la siguiente ecuación empírica propuesta en el mismo documento: Q = Cd bw√2gy Donde: Cd: Coeficiente de descarga.54e−0.24H). Cd = 0. g: Constante gravitacional 9. 40 0.36 632.44 0.76 0.25 1.25H = 15 metros.00 1.37 618.35 652.50 0.50 414.38 602.00 1.61 6.54 5.20 0.25 1.00 1.61 196.03 0.25 1.34 0.42 0.93 9.50 1.32 0.25 1.73 5. se presenta la tabla de los cálculos de Caudal para cada apertura de 0.01 7.00 1.00 1.98 10. En esta tabla se muestran los cálculos de caudal realizados para cada apertura de 0.67 7. b: 12 metros.00 1.31 686.21 0.82 6.34 663.58 265.01 4.16 2.49 0.40 0.67 61.25 metros.82 0.32 682.77 5.55 326.14 0.36 639.00 1.07 0.05 0.50 1.75 1.52 8.60 220.14 10.32 678.00 1.50 1.27 0.75 1.47 7.47 9.70 1.42 545. 14 .70 0.37 0.97 Tabla 1.59 243.62 0.44 511.00 1.12 0.19 1.46 486.45 0.62 171.25 1. w: Tomo valores 0:0.31 8.25 1.22 12. se observa cambio mayor en el caudal para los primeros valores de apertura de la compuerta y una menor variación en el caudal al llegar a aperturas de la compuerta cercanas a la máxima apertura.18 11.02 2.09 0.07 4.39 0.56 306.50 1.64 4.89 3.67 0.47 473.40 585.35 0.43 534.34 658.41 566.25 8.60 0.84 0.28 0.75 1.38 610.25 0.25 1.59 0.76 10.75 1.30 0.52 381.50 1.57 286.50 1.44 523.77 0.55 0.39 594.25:12 metros R: 1.55 0.25 1.49 429.20 4.81 0.53 363.63 3.18 0.75 1.86 7.51 397.00 1.91 2.41 5.42 556.25 de la compuerta radial.35 646.74 0.33 668.00 1.48 444.69 0.72 0.54 0.33 673.94 6.06 11.52 0.50 1.25 1. considerando: h: 8 metros.50 1.39 3.47 0.40 11.57 0.18 10.40 575.25 1. Gasto Másico de Descarga de Agua en Funcion de la Apertura de la Compuerta Apertura [m] ϴ [rad] Cd Q [m^3/s] Apertura [m] ϴ [rad] Cd Q [m^3/s] 0.57 9.45 499.48 459.63 145.51 2. y: Altura máxima del cuerpo de agua (12 metros).64 0.05 6.A continuación.25 1.78 1.65 119.37 625.75 1.54 345.79 0.75 1.76 11.66 91.75 1.69 31.50 1.23 0.10 0.16 0.50 1.26 1.65 0.75 1.75 1.32 8.50 1.50 1.81 3.00 1.75 1.75 1.65 9.25 1. trabaja del lado convexo y es reforzada con vigas en forma de T llamadas “costillas” que ayudan a rigidizar la estructura. DISEÑO DE FORMA DETALLADO DE COMPUERTA TAINTOR Las compuertas taintor son conpuertas de regulacion de flujo y son de tipo radial y son frecuentemente usadas para el control de cuerpos de agua en embalses. Muñon. gracias a esto la linea de accion de empuje hidrostatico resultante pasa atravez del pivote.Caudal [m^3/s] vs Apertura de Compuerta [m] 800 700 Caudal [m^3/s] 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Apertura de Compuerta [m] En el grafico podemos observar que la pendiente de la curva disminuye al aumentar la apertura de la compuerta y el comportamiento de la gráfica se asemeja a una función logarítmica desplazada a la izquierda. el agua actua en el lado convexo de la puerta. 6. La pantalla es el elemento mecanico que interactua directamente con el agua y soporta las cargas hidrostaticas. esto se debe a las propiedades hidrostaticas de las superficies cilindricas. esta puerta tiene forma de una porcion de cilindro y gira alrededor de un pivote situado en el eje longitudinal de la superficie cilindrica. Sistema de Apertura de la Compuerta. Costillas. Brazos Soportes y brazos de refuerzos. Vigas Laterales. Selladores de Neopreno). La compuerta taintor consta de las siguientes partes principales:     Pantalla (Placa Delgada. tambien se refuerza la pantalla con 15 . actualmente se usan sistemas de cilindros hidraulicos. ya que esta inteaccion provoca esfuerzos adicionales sobre la pantalla.2. Para la unión brida-viga-costillas se seguirán la norma AISC sección J2. Debido a las condiciones del diseño. las placas gruesas son susceptibles al agrietamiento en comparación con respecto a las delgadas. Los brazos soporte son vigas estructurales que transmiten las cargas hidrosestaticas soportadas por la pantalla hacia el muñon. Para la sección del muñón. existen piezas soldadas gruesas y delgadas. El muñon es un elemtno cilindrico mendientge el cual se ancla la el sistema de la compuerta al embalse y es la que resiste todos los esfuerzos provocados en el sistema mecanico. para nuestro diseño. En las placas del centro del muñón las soldaduras serán examinadas según norma ASTM A435. según procedimiento del manual se debe verificar la resistencia al desgarro laminar mediante pruebas de conformidad de la norma antes mencionada.vigas laterales más robustas que también sirven para anclar la pantalla a los brazos soportes. incluyen piezas soldadas con placas gruesas. estas están sometidas a grandes tensiones a través de su espesor. Es recomendado una bbuena ubicación del motor de levantamiento de sistema para evitar futuros problemas. La norma indica que estas secciones serán examinadas 16 . nos basamos en la norma CWGS 05913 de la “US Army Corps of Engineers” con documento número COE EM 1110-2-2702 denominado “DESIGN OF SPILLWAY TAINTER GATES”. Consideraciones Generales de Diseño La compuerta será diseñada en base a normas estándares. estos brazos soportes permiten al sistema de la compuerta mantener su forma geometrica. los elementos tradicionalmente utilizados para la elevacion de la compuerta suelen ser mecanismos con cables de acero y mecanismos de cadenas. debido a su importancia y dificultad de mantenimiento se diseñan con material anticorrosivo y ademas autolubricante. El sistema de apertura de la compuerta es de suma importancia debido a que este mecanismo permite la apertura de la compuerta y por lo tanto la regulacion del caudal. Al no poseer guias se evita la cavitacion en los bordes de la compuerta y en estos bordes (Laterales y base) se ubican selladores de neopreno de forma “musical J” . para esto se debe seguir la norma ASTM A 770/ A 770. la cual. debido a las secciones críticas.25 H (H: altura). para esto son reforzados con brazos de refuerzo. para esto se seguirán las normas ANSI/AWS sección D1. gracias al diseño de las compuertas radiales el mecanismo de apertura solo soporta cargas provocadas por el peso de la compuerta.1. debido a las tensiones residuales que se generan debemos poner especial énfasis en los procedimientos de soldadura. y se refuerzan con un eje tranversal entre los brazos que los ridigiza y evita la deformacion de la estructura. se y se diseña en base a la resistencia de todos estos esfuerzos. Los brazos estan diseñados a un radio de 1. Para los mecanismos de cables y cadenas es importante la interaccion de del elemento de tension como de la pantalla. se recomienda usar acero ASTM A36. existen intersecciones o empalmes donde se debe seguir en cumplimiento de la norma ANSI/AWS D1. Por lo general no se sobre pasa el espesor de la pantalla de 2 cm y si es necesario un espesor mayor se castiga el diseño agregando más costillas a la pantalla. estas vigas permiten el acople de la pantalla con los brazos. Pantalla de la Compuerta La pantalla de la compuerta es el elemento del sistema que estará en contacto directo con las cargas hidrostáticas. la pantalla es reforzada con vigas “T” conocidas como “costillas” las cuales basados en la norma EM 1110-2-2702 deben ser colocadas uniformemente en la pantalla para reforzar el sistema. su diseño es de una placa “delgada” de acero ASTM A36 o ASTM A572 y su espesor va desde 1 cm hasta 2 cm como máximo para casos extremos.17. estas también actúan como costillas y con ellas se busca reforzar y economizar el diseño. 17 . Vigas horizontales sostienen la pantalla. Las soldaduras en los filetes también críticas serán examinadas mediante inspecciones penetrantes (PT) o inspección de partículas magnéticas (MT). Pantalla Costillas Viga Horizontal Imagen 1.mediante inspección ultrasónica (UT) o inspección radiográfica (R).1 sección 5. 6. Pantalla de Compuerta Radial Taintor.1. debido a su tamaño. En la sección de las bridas. Pantalla Costillas Imagen 2.En la Pantalla nos basamos en el manual EM 1110-2-2702 el análisis de las cargas en la pantalla se puede aproximar a un modelo bidimensional (2D). De esta manera se puede obtener el espesor de la pantalla. para esto se asume q la pantalla no tiene curvatura y por cada unidad de espesor se considera como una viga continua (ubicando las costillas horizontalmente). Representación de la pantalla modelada como una viga continua y simplemente apoyada en las vigas horizontales. también se asume como una viga simplemente apoyada en las vigas horizontales. 18 . Modelación de compuerta Taintor idealizando cero curvaturas de la compuerta y costillas de forma horizontal para analizar las deformaciones debido a la Fuerza Hidrostática. Imagen 3. Costillas Este elemento de refuerzo es de Acero ASTM A36. para el espaciamiento de las costillas nos basamos nuevamente en el manual EM 1110-2-2702 donde se recomienda que se proceda de la siguiente manera: Imagen 4. proporcionan resistencia al momento flector de la pantalla y se ubican a 1/5 del ancho de la compuerta para cada lado . Análisis de espaciamiento entre costillas para reforzar la pantalla de la compuerta Taintor. normalmente usadas las vigas I y de Acero ASTM A36. estas se diseñan con figuras prismáticas simétricas. Vigas Horizontales Las Vigas Horizontales actúan como costillas horizontales. ya que al estar correctamente diseñadas sirven de refuerzos para la pantalla. Sy: Esfuerzo de Fluencia del material de la pantalla. su diseño se sustenta en estabilidad del sistema y economía. Para analizar el diseño de las costillas se recomienda que estas posean una altura de 200 mm. sin embargo el sobredimensionamiento de este elemento agregara cargas en la pantalla y las costillas lo cual no es beneficioso para el diseño de la compuerta radial. Para costillas consideradas compactas: 𝑏𝑒 = 187𝑡 √𝑆𝑦 Para costillas consideradas no compactas: 𝑏𝑒 = 255𝑡 √𝑆𝑦 Donde: t: espesor de la pantalla. en este tipo de elemento se 19 . Acoplamiento de Cauchos selladores tipo J en la base de la compuerta Taintor. En el diseño de la compuerta se toma en consideración el afecto que tienen los elementos que componen el sistema con los esfuerzos.realizan pequeñas perforaciones que funcionan como agujeros de drenaje de líquidos que pudiesen quedar estancados y provocar la corrosión en el mecanismo. A continuación. se presenta un esquema de la defección que se provoca en la pantalla con todos sus componentes de refuerzo (Costillas y Vigas Horizontales): 20 . Cauchos selladores tipo J Estos selladores tipo nota música J son elementos que se usan de selladores debido a que la compuerta no usa guías laterales del embalse ni en su parte inferior (en la base). que es un material de alta densidad y resistencia. Imagen 5. deformaciones y relaciones económicas en su diseño y fabricación. La sujeción de este elemento se realiza mediante la adherencia de una ranura de ajuste para controlar la presión del sellador con el piso del embalse. el material utilizado para estos cauchos selladores es el ASTM D2000. su principal función es sellar el paso de fluido entre los espacios del embalse y la compuerta radial y evitar de esta manera el efecto de cavitación provocado por dicho paso de fluido. además de evitar el desgaste la pantalla por la fricción con las paredes del embalse. U. teniendo lugar a una longitud de brazos de 18. Representacion grafica de distribucion de los esfuerzos en las compuertas radiasles tipo Taintor. 6. todo el tejido de la vigas es 21 .25 de la altura total de la compuerta. Brazos de la compuerta Los brazos de la compuerta se los diseña de manera de cercha debido a que es más ligera y tiene la capacidad de soportar las cargas sin deformarse y además de la fácil construcción.75m por esta razón el tejido se lo diseña de esta manera ya que así disminuimos la longitud de los brazos a pequeños tramos que tienen más facilidad de soportar momentos sin sufrir deformación.Imagen 6.S.2. Todd. también no notamos que el radio de la compuerta es casi 1. Imagen sacada de “Evaluating a Tainter Gate’s Dynamic Stability Using Modal Analysis” por Robert V. Para los brazos de la compuerta se selecciona las vigas “ I ” debido a su simetría. Department of the Interior. también si realizamos uniones pernadas correríamos el riesgo de sufrir una falla por corrosión por hendiduras en las uniones entre placa perno. El diseño está basado en manual del cuerpo de ingenieros de Estados Unidos. 6.soldado por la facilidad de construcción.3. el material de toda la compuerta es Acero estructural A36. Articulación principal de la compuerta radial Taintor 22 . ya que estara sometido a las cargas como se muestra enla fig. para el eje del munon y acero estructural A36.1. Cabe indicar que el eje del munon estaria sometido tanto a cortante como a flexion. 23 . ya que en este rota la compuerta y va a soportan las fuerzas de reacción generadas por la cargas hidrostática.El muñón de la compuerta va a ser unos de las partes articuladas más importantes de la compuerta.8. normal. pero se debera analizar el factor de seguridad bajo cortante. ocacional y excepcional. Las cargas y las diferentes combinaciones de las cargas.7. se las deben tomar de la norma NBR-8883-4. y con esta se hace la selección adecuado del eje. Estas partes de la compuerta seran disenadas con acero AISI/SAE 1018. En la siguiente se observa los componentes principales del muñón. para el munon y las cartelas de esta. La mayor diferencia entre la transmisión de energía y elevación es probable la velocidad. 24 . y el diámetro del rodillo. Este estándar incluye cadena con un alcance de hasta 7 pulgadas (177. La cadena de un fabricante sustituirá a la cadena de otro fabricante. En base a la investigación bibliográfica y al análisis de las capacidades de la compuerta. como normas ISO para el diseño de dicha cadena. Los tamaños de cadena dado en B29. analizando. SISTEMA DE APERTURA DE LA COMPUERTA El Instituto Nacional Americano de Norma (ANSI) y la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) han desarrollado y publicado normas para el diseño de la cadena para la apertura de una compuerta. el diseño básico de la cadena en ANSI B29. Sin embargo la diferencia entre ambas cadenas es generalmente irrelevante.1 es escrito en unidades inglesas.  ANSI / ASME B29.5 veces el paso. Estas normas han sido descritas en unidades inglesas. Los beneficios principales de esta norma es que cualquier cadena fabricada de acuerdo al piñón. En aplicaciones de elevación. Inclusive.7.1 son generalmente inadecuados para la mayoría de las aplicaciones de elevación de compuerta tainter. el recorrido de la cadena será extremadamente lento.1 asigna designaciones numéricas estándar a cadena basado en el tono. se ha escogido dos potenciales normas que pueden ser implementadas para el desarrollo del sistema de apertura de la compuerta. La carga en ambas cadena es básicamente lo mismo y en ambas aplicaciones la cadena está pasando a través de una rueda dentada. Heavy Duty Offset Sidebar Power Transmission Roller Chains and Sprocket Teeth Se estandariza compensado tipo barra lateral de la cadena. se ajustara al piñón estándar con la misma designación de la norma.8 mm) y una resistencia a la rotura mínima de 425. a pesar de eso las últimas ediciones de estas normas tienen la métrica equivalente (sólo de referencia). Cabe destacar que existen tanto normas DIN Europea (alemán).10M (1994).890 kN). Estas normas son:  ANSI / ASME B29. Hay que señalar que en la mayoría de aplicaciones que involucra el uso de cadenas para transmisión de energía o potencia utiliza las normas ANSI / ASME.000 libras (1. Attachments ANSI B29. El diámetro de los rodillos se define como 8.1M (1993) Precision Power Transmission Roller Chains. la anchura de la cadena. la resistencia a la corrosión. Debido a la utilización de las barras laterales de acero. es probable que la parte sumergida de la puerta cadenas se tenga que sustituir en los próximos 50 años (incluso con metalización o la pintura). El diseño más reciente cadena de elevación. La porción de la cadena que se conecta a la puerta será sumergida en el río. El tipo de material utilizado para la cadena tendrá un impacto en la fuerza. Los pasadores de acero inoxidable se fabrican de tipo ASTM A564 XM-25 Condición H1050. Esta porción inferior de cadena también será sometida a un arenado y pintura de aerosol. La desventaja principal de utilizar este tipo de acero inoxidable es que fue desarrollado por uno fabricante y no está fácilmente disponible a partir de otros fabricantes.586 kPa). utiliza barras laterales de bronce de aluminio y pernos de acero inoxidable. nieve. Otras opciones para el acero inoxidable incluyen el uso de la norma ASTM A564 Tipo 630. SELECCIÓN DEL MATERIAL Elegir el material del que va a estar fabricada la cadena quizás sea uno de los parámetros claves para el diseño de las mismas.7. La selección del material debe realizarse proyectando una vida de 50 años de la misma. Para el programa de MMMR. y la vida global de la cadena. etc.000 psi (427. Debido a que las compuertas de la represa rara vez será movida completamente fuera del agua. como se dijo antes. También se utilizó Metalizado (recubrimiento Monel) en las barras laterales. Ambos materiales deben proporcionar la protección a la corrosión adecuada para permitir muchos años de uso. La cadena de elevación utilizada en compuertas y portones Taintor será rolada en caliente para soportar la lluvia. varios tipos de materiales se han utilizado para la cadena de elevación. Bronce con aluminio se fabrica por la norma ASTM B505 con un esfuerzo de fluencia de 62.1. Este material está 25 . Este acero inoxidable es equivalente al acero inoxidable tipo 304 resistente a la corrosión. Esto somete a la cadena a limos y escombros. Los diseños iniciales para el programa MMMR utilizaron barra de acero 1045 (arenado y pintado) y 4150 o 4142 con pasadores de acero niquelado. se sumerge la sección inferior de la cadena para una mayor vida de servicio. muy cerca de propiedades a XM-25 y está disponible en más fabricantes. El Tipo 630 acero es más difíciles de mecanizar y debe ser la edad endureció antes de usar. Las fuerzas hidrostáticas son aquellas producidas por el peso del fluido que actúan perpendicularmente a la superficie de la compuerta. 26 . Una comparación de los aceros inoxidables se proporciona a continuación en la Tabla: 8. DLC de la compuerta radial. DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS SOBRE EL SISTEMA MECÁNICO. Hay algunos desventajas del uso de Tipo 630 acero frente XM-25. Imagen 7. 336 MN 27 . g: 9.548 N ∑ Fx = 0 FGx FGx − F1 = 0 = F1 = 8472691.80665 m/s^2. F1 = γhc A Kg F1 = (9806.99x12m2 ) m2 s 2 F2 = 8458565.717 N 2 2 FG = √FGx + FGy FG = 10.ρ: 999.4116 N ∑ Fy = 0 FGy + F2 − W = 0 FGy = 8458565.97 Kg/m^3.99𝑚 sin(𝜃) = ABCE ACDE = ABCDE − ABCE = (12x5.319 ACDE = 21.99) − 50.13º 𝑙𝐷𝐸 = 𝑙𝐵𝑐 = 15 − 𝑙𝐴𝐵 𝑙𝐷𝐸 = 𝑙𝐵𝑐 = 15 − 15 cos(𝜃) 𝑙𝐷𝐸 = 𝑙𝐵𝑐 = 5.310 m2 ACDE = (12x5.256 N F2 = (9806.56 m2 W = (9806.4116 N De igual manera Kg ) (12m)(5.35 W = γ ⩝= γ(ACDE x12) 12 15 𝜃 = 53.548 FGy = 5921348.32 − 54 ABCE = 50.13 1 = AACE − AABE = π(152 ) ( ) − (12(15 cos(53.35 2 2 ) (6m)(12x12m2 ) m s F1 = 8472691.56)) W = 2537216.265 − 2537216.13))) 360 2 ABCE = 104.99) − ABCE 53.35)(12(21.
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