Cimentacion de Maquinaria Final[1]

7/30/2019 Cimentacion de Maquinaria Final[1]

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

DINMICA DE MAQUINARIA CIMENTACIN PARA MAQUINARIA PGINA 1

DINMICA DE MAQUINARIA

INVESTIGACIN

CIMENTACIN PARA MAQUINARIA

FECHA DE PRESENTACIN

25/ABRIL/2013

GRUPO8MM3

PROFESOR

HERNNDEZMIRANDA CARLOS

A LUMNOS

ESPINOSA JCOMEYAIRALFREDO

HUITRONESTEBANMIGUELNGEL

ORTIZABURTONGEL EDUARDOVZQUEZMARTNEZRICARDOALFONSO


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NDICE PGINA1. INTRODUCCIN ........................................................................................................................... 3

2. TIPOS DE MAQUINARIA Y SUS CIMENTACIONES ......................................................................... 5

2.1. MQUINAS RECIPROCANTES.............................................................................................. 5

2.2. MQUINAS ROTATORIAS..................................................................................................... 8

2.2.1.DE BAJA VELOCIDAD ................................................................................................ 9

2.2.2.DE ALTA VELOCIDAD .............................................................................................. 10

2.3. MQUINAS DE IMPACTO.................................................................................................... 12

2.4. EQUIPOS ESPECIALES ...................................................................................................... 15

3. TIPOS DE CIMENTACIONES ...................................................................................................... 16

3.1. REQUERIMIENTOS GENERALES PARA CIMENTACIONES DE MAQUINARIA ...................... 18

4. GLOSARIO ................................................................................................................................. 205. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS: ............................................................................................. 21


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1. INTRODUCCIN

Las cimentaciones de maquinaria requieren una atencin especial del ingeniero

diseador, ya que la operacin del equipo genera fuerzas y momentos dinmicos

desbalanceados. La cimentacin de la maquinaria trasmite las cargas dinmicas al

suelo de desplante y estas se adicionan a las cargas estticas debidas a la

combinacin del peso de la maquinaria y del bloque de soporte. Esta es la

consideracin que distingue a las cimentaciones de mquinas de otras ordinarias,

y hace necesarios procedimientos especiales de diseo.

El comportamiento de suelo de desplante es considerado generalmente elstico,

esto es razonable para el intervalo de niveles de vibracin asociados con un buen

diseo de la cimentacin. Los dos parmetros ms importantes que deben ser

determinados, en cualquier diseo dinmico de una cimentacin son: la frecuencia

natural y la amplitud de vibracin del sistema maquinaria-cimentacin-suelo, en

condiciones normales de operacin.

El costo inicial de la construccin de una cimentacin para maquinaria es

generalmente una pequea fraccin del costo de la misma mquina de los

accesorios y de la instalacin. Sin embargo, la falla de una cimentacin, por causa

de un incorrecto o una defectuosa construccin, pueden interrumpir la operacin

del equipo y ocasionar importantes prdidas econmicas.

El estudio de las cimentaciones para maquinaria debe resolver 3 principales

problemas:

1) Que los movimientos de las maquinarias y la cimentacin no seanexcesivos, ya que originaran fallas y desperfectos en la operacin del

propio quipo.

2) Que los asentamientos debidos a los efectos dinmicos estn dentro de los

lmites permisibles.


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3) Que se disminuyan, en su caso, se eliminen las vibraciones transmitidas

atreves del suelo, que pudieran afectar a personas, edificios u otra

maquinaria.

Con base a lo anterior, la prctica comn en el diseo y construccin de

cimentaciones para maquinaria fue la de proporcionar grandes masas de concreto

para controlar las amplitudes de vibracin. Aunque esto resulto satisfactorio

durante algn tiempo, actualmente se buscan las soluciones ms eficientes y

econmicas. Esto, debido a que os espacios para la colocacin del quipos en las

industrias son cada vez ms escasos y pequeos; lo que representa un factor

importante en el dimensionamiento de la cimentacin, por lo que no resulta

adecuado controlar las amplitudes de vibracin mediante un gran bloque de

concreto, siendo entonces necesaria la utilizacin de otros medios ms

econmicos y eficientes, que aseguren el control de las vibraciones. Uno de esos

medios puede ser la colocacin de aisladores de vibracin, teniendo en mente que

si la maquinaria es atornillada rgidamente a su cimentacin, el movimiento

vibratorio en s mismo puede ser reducido, pero la vibracin transmitida a la

cimentacin puede ser mayor. Esto producir efectos perjudiciales aun a una

distancia considerable del origen de la vibracin. De otra manera, si se coloca un

soporte flexible bajo la maquinaria o en la cimentacin la vibracin transmitida ser

considerablemente reducida, pero esto puede causar un movimiento significativo

en la maquinaria durante su operacin normal o durante su encendido y el

apagado del equipo; por tanto, es necesario lograr un equilibrio entre estos dos

requerimientos.

Es as como se ha extrado el uso de los sistemas de aisladores de vibracin, con

la idea fundamental de reducir amplitudes y tener menores masas de concreto en

la cimentacin. Esto origina algunas variantes en la conceptualizacin de los

modelos de anlisis, los cuales son diferentes a los convencionales ya que se


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agregan los parmetros adicionales del aislador. De esta manera resulta necesario

solucionar analticamente los modelos matemticos que consideran el aislamiento,

para as tener un precedente que permita evaluar en forma conveniente la

eficiencia de esta alternativa, en la solucin de cimentaciones para maquinaria.

2. TIPOS DE MAQUINARIA Y SUS CIMENTACIONES

Existen muchos tipos de maquinarias y cada uno puede requerir un cierto tipo de

cimentacin. Se describen a continuacin los diferentes tipos de maquinaria y sus

caractersticas especiales, as como tambin las cimentaciones comnmente

utilizadas.

Los diferentes tipos de maquinarias son excitados normalmente por cargas

desbalanceadas; en general, pueden clasificarse dentro de las siguientes

categoras:

a) Maquinas reciprocantes

b) Maquinas rotatorias

c) Mquina de impactod) Equipos especiales

2.1. MQUINAS RECIPROCANTES

Son probablemente las maquinas ms antiguamente usadas y es un ejemplo

clsico el mecanismo de manivela, el cual se usa para convertir un movimiento

rotatorio y viceversa. Ejemplos tpicos de mquinas reciprocantes son las

mquinas de vapor, maquinas de combustin interna (por ejemplo de gasolina,diesel y petrleo), bombas y compresores.


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Fig. 1 Maquinas de Vapor

Estas mquinas pueden consistir en un cilindro simple y un pistn, con una accin

simple o con doble accin; tambin pueden ser de mltiples cilindros, con pistones

operando en un patrn regular y montado en una manivela comn.

Las bombas y los compresores pertenecen a la categora de mquinasreciprocantes, que pueden ser del tipo de grado simple o grados mltiples,

dependiendo si el total de compresin es desarrollada en una o ms de una

operacin. El arreglo de mltiples grados puede formarse de varios cilindros

pistones operados por una maquina comn o por diferente mquinas.

La direccin del movimiento del pistn puede ser horizontal o vertical. Muchas

mquinas reciprocantes tienen velocidades de operacin no mayores de 1200-

1500 rpm. En ocasiones, se encuentran mquinas reciprocantes que operan agrandes velocidades.


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Fig. 2 Maquinas de combustin interna

La cimentacin para maquinas reciprocantes usualmente consiste en un bloque de

concreto rgido, que tiene preparaciones para montar la maquinaria. Las maquinas

pueden ser colocadas directamente en bloque de concreto o de un cojinete

elstico diseado adecuadamente. En algunas ocasiones se utilizan

cimentaciones en bloque, apoyadas sobre resortes.

Fig. 3 Maquinas de combustin interna (tipo V)

Un simple mecanismo de manivela para una maquina de un solo cilindro se

muestra en la siguiente figura.


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Fig. 4 Mecanismo de manivela

2.2. MQUINAS ROTATORIAS

El tipo de excitacin que generalmente desarrollan las maquinas rotatorias es del

tipo senoidal; para determinar esta fuerza es necesario conocer la masa rotatoria y

la excentricidad, entre el centro gravedad de la masa rotatoria.

Para este tipo de mquinas es posible, tericamente, balancear las partes mviles

que producen las fuerzas desbalanceadas durante la rotacin; sin embargo, en la

prctica, es difcil eliminar del todo el desbalanceo, ya que este se ve afectado por

los procedimientos del diseo, de la fabricacin, de la instalacin y del

mantenimiento.

Algunos aspectos que contribuyen al desbalanceo de mquinas rotatorias son: el

desalineamiento durante la instalacin, el dao o corrosin de las partes mviles y

tambin las deflexiones por gravedad del eje de rotacin de la mquina.

En trminos prcticos, las mquinas rotatorias se clasifican de la siguiente

manera:

a) De baja velocidad

b) De alta velocidad


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2.2.1.DE BAJA VELOCIDAD

Las maquinas rotatorias de baja velocidad son aquellas que operan a menos de

1500 r.p.m., como por ejemplo, los motores generadores, las bombas centrifugas y

de vaco, los ventiladores, las devanadoras, etc.

Fig. 5 Compresores W-6 con embrague

Fig. 6 Compresores industriales


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Para estas mquinas, las cimentaciones usadas son: las de tipo bloque rgido y las

de tipo marco. En algunos casos, si esto es necesario la cimentacin deber estar

soportada por pilas.

2.2.2.DE ALTA VELOCIDAD

Las mquinas rotatorias de alta velocidad, como son las turbinas de gasolina o

vapor, los generadores, los compresores y los turboventiladores, tienen

velocidades de operacin generalmente de 3000 r.p.m. 3600 r.p.m. y pueden

tener un valor de hasta 10000 r.p.m. Algunas unidades de turbinas, que operan a

1500 y 1800 r.p.m. se utilizan tambin.

Fig. 7 Turbinas de vapor

La instalacin de un turbogenerador representa la colocacin de equipos

auxiliares, tales como condensadores, lneas de tuberas de vapor que soportan


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grandes temperaturas, ductos y ventilas de aire, etc.; de tal manera que toda la

unidad, incluyendo la cimentacin de la maquinaria y su equipo auxiliar, deben

estar totalmente accesibles para su inspeccin.

Fig. 8 Ventiladores

Conociendo estos requerimientos, las cimentaciones de tipo marco son las ms

utilizadas generalmente para las unidades de turbogeneradores. Se prefiere este

tipo de cimentacin a la del tipo bloqueo rgido, tomando en cuenta aspectos como

el del funcionamiento y la economa.

Las cimentaciones de tipo marco pueden construirse con concreto reforzado oacero, siendo las de concreto reforzado las ms comnmente usadas.

Fig. 9 Bombas hidrulicas


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Fig. 10 Bomba de vacio

2.3. MQUINAS DE IMPACTO

Se dispone de poca informacin respecto a cargas transitorias o de impacto, las

cuales se generan por operaciones intermitentes de maquinaria. Las operaciones

de prensas hidrulicas y neumticas, de martillos para forja, de martinetes y

troqueladoras, por ejemplo, producen cargas de impacto que pueden ser

consideradas como una pulsacin simple, ya que el efecto de un impacto termina

antes de que ocurra el siguiente.

El diseo de la cimentacin para este tipo de maquinaria deber ser el adecuado

para evitar cualquier efecto perjudicial en la cimentacin, debido a la misma

operacin de la maquinaria, as como tambin de estructuras adyacentes o en

mquinas y personas que se encuentren cerca.

La cimentacin para una mquina de impacto, generalmente, se basa en un

bloque de concreto reforzado. En el caso de pequeos martillos, el yunque puede

estar montado directamente en el bloque de cimentacin, para reducir la

transmisin de los esfuerzos por el impacto en el bloque de concreto y en el marco

de la maquina se coloca un cojinete elstico de neopreno, fieltro, corcho o madera,

entre el yunque y la cimentacin.


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En el caso de martillos con gran capacidad, se pueden utilizar algunos aisladores

especiales, tales como: resortes y amortiguadores en lugar de los cojinetes

elsticos.

El bloque de cimentacin generalmente se disea para apoyarse directamente en

el suelo. Cuando las condiciones del suelo de desplante no son las deseadas, el

bloque de cimentacin puede ser soportado por pilas. Tambin la cimentacin

puede apoyarse en cojinetes elsticos o sobre resortes, en el caso de desear

reducir la transmisin de las vibraciones.

A continuacin se presentan algunos tipos de mquinas que se clasifican como de

impacto:

Fig. 11 Prensas hidrulicas


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Fig. 12 Martillo neumtico para forja

Fig. 13 Maquinas Troqueladoras


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2.4. EQUIPOS ESPECIALES

Algunas maquias o equipos especiales, que pueden originar vibraciones en sus

soportes y que no fueron consideradas en las secciones anteriores, son, las

antenas de radar.

La estructura de soporte para una antena debe tener una respuesta dinmica que

no interfiera con la operacin del equipo electrnico. El disco del radar debe ser lo

suficientemente rgido para que no afecte indebidamente el mecanismo que

controla la elevacin y el azimut, la torre vertical debe ser rgida y no permitir la

resonancia de la estructura, y finalmente, la cimentacin no debe permitir grandes

movimientos en toda la estructura.

Las rotaciones permisibles de una antena radar son a menudo del orden de

0.00005 rad. La rotacin de radar, con respecto a su eje horizontal, introduce un

balanceo transitorio en la antena, lo que puede causar que la torre oscile en su

frecuencia natural, esto debido a la conexin flexible entre la cimentacin y el

suelo de desplante, o debido a la flexibilidad del sistema estructural.

Obviamente la antena de radar tiene muchos grados de libertad de vibracin; sin

embargo, se puede realizar un diseo estndar para obtener las frecuencias de

resonancia crticas del sistema estructural del radar.

Fig. 14 Antenas de radar


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De tal manera, el diseo de las cimentaciones para este tipo de equipo deber ser

el adecuado, para cubrir todas las especificaciones de servicio y asegurar un

funcionamiento satisfactorio.

3. TIPOS DE CIMENTACIONES

Basndose en el criterio de diseo y sus cimentaciones, las maquinarias pueden

clasificarse como:

a) Las que producen fuerza de impacto, como son martillos y prensas.

b) Las que producen fuerzas peridicas, como los compresores.c) La maquinaria de alta velocidad, como turbinas y compresores rotatorios.

d) La maquinaria especial, como son los radares.

A su vez, las cimentaciones pueden clasificarse atendiendo su tipo estructural, de

la siguiente manera:

a) Cimentaciones tipo bloque (Fig. 15), que consiste en un pedestal de

concreto que soporta la maquinaria.

b) Cimentacin de tipo cajn (Fig. 16), consiste en bloque de concreto hueco

que soporta la maquinaria en su parte superior.

c) Cimentacin de tipo muro (Fig. 17), formada por un par de muros que dan

soporte a la mquina.

d) Cimentacin de tipo marco (Fig. 18), con base en columnas verticales que

soportan en la parte superior una plataforma horizontal, la cual sirve de

asiento a la maquinaria


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Fig. 15 Cimentacin tipo bloque Fig. 16 Cimentacin tipo cajn

Fig. 17 Cimentacin tipo muro Fig. 18 Cimentacin tipo marco

La maquinaria que produce impactos y fuerzas peridicas de bajas velocidades es

generalmente montada sobre cimentaciones de tipo bloque. Aquellas que trabajan

a altas velocidades y la mquina de tipo rotatorio se colocan sobre cimentaciones

de marco; sin embargo, para ciertas condiciones particulares, lo anterior puede

modificarse; en tal caso, puede proponer un tipo alternativo de cimentacin.

Alguna maquinaria, como los tornos, induce muy poca fuerza dinmica, y puedenser atornillados directamente al firme sin una cimentacin especial.

Por otra parte, basndose en sus frecuencias de operacin, la maquinaria puede

ser dividida dentro de tres categoras:

a) Grupo 1.- Frecuencias de bajas a medias, de 0-500 r.p.m.

b) Grupo 2.- Frecuencias de medias a altas, 300-1000 r.p.m.

c) Grupo 3.- Frecuencias muy altas, mayores de 1000 r.p.m.

En el grupo 1 comprende grandes maquinas reciprocantes, compresores y

ventiladores grades. Las maquinas reciprocantes generalmente operan en un

intervalo de frecuencias, entre, 50-250 r.p.m. Para este grupo, las cimentaciones


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de tipo bloque, con grandes reas de contacto con el suelo de desplante, son las

que se utilizan generalmente.

El grupo 2 incluyen maquinas reciprocantes de tamao medio, como son las

mquinas de gasolina y diesel. Se recomiendan generalmente las cimentaciones

tipo bloque, desplantadas sobre resortes o placas elsticas como el neopreno, ya

que mantiene la frecuencia natural de la cimentacin considerablemente mayor

que el de operacin.

El grupo 3 incluye mquinas de combustin interna de alta velocidad, motores

elctricos y turbogeneradores. Son recomendables las cimentaciones de tipo

bloque, con poca superficie de contacto, aisladas con placas elsticas para bajar

la frecuencia natural. La turbo-maquina requiere de cimentacin tipo marco para

acomodar entre las columnas los equipos auxiliares necesarios.

3.1. REQUERIMIENTOS GENERALES PARA CIMENTACIONES DE MAQUINARIA

Los siguientes requerimientos generales debern ser satisfechos, desde el punto

de vista del diseo:

a) La cimentacin deber ser capaz de soportar las cargas impuestas, sin

tener fallas de corte o aplastamiento.

b) Los asentamientos debern estar dentro de los lmites permisibles.

c) El centro de gravedad de la maquinaria y el de la cimentacin deber estar,

en la medida de lo posible, alineados verticalmente con el centro de

gravedad de la base.

d) Deber evitarse la resonancia, por lo tanto, la frecuencia natural del sistema

suelo-cimentacin deber ser mayor o menor que la frecuencia de

operacin de la maquinaria. Para maquinaria de baja velocidad, la

frecuencia natural deber ser alta y viceversa.


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e) Las amplitudes de vibracin, en las condiciones de servicio, deber estar

dentro de los lmites permisibles. Estos lmites generalmente son dados por

los fabricantes de los equipos.

f) Todas las partes rotatorias y reciprocantes de una maquinaria debern

estar bien balanceadas, de modo que minimicen las fuerzas o los

momentos desbalanceados.

g) En lo posible, la cimentacin deber estar proyectada del tal manera que

permita una subsecuente alteracin a la frecuencia natural, realizando

cambios en el rea de la base o en la mesa de cimentacin si esto se

piensa necesario posteriormente.

Desde el punto de vista prctico, debern cumplirse los siguientes requerimientos:

a) Nivel fretico, en caso de existir, deber estar tan abajo como sea posible,

por lo menos una cuarta parte del ancho de la cimentacin a partir del plano

de base. Esto limita la programacin de vibracin, ya que el agua

subterrnea es una buena conductora de ondas de vibracin.

b) La cimentacin para maquinaria deber estar separada de construccionesadyacentes, por medio de juntas de expansin.

c) Cualquier tubo de vapor o aire caliente, embebido en la cimentacin deber

estar propiamente aislado.

d) La cimentacin deber estar protegida del aceite de la maquinaria, por

medio de una capa resistente al cido o por un adecuado tratamiento

qumico.

e) Es recomendable que las cimentaciones de maquinaria estn desplantadas

en un nivel inferior del desplante de cimentaciones de construcciones

contiguas.


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4. GLOSARIO

Cimentacin.- conjunto de elementos estructurales cuya misin es transmitir las

cargas de la edificacin o elementos apoyados a este al suelo distribuyndolas de

forma que no superen su presin admisible ni produzcan cargas zonales.

Frecuencia.- Nmero de veces que sucede un evento, o el nmero de ocurrencias

en un rango.

Permisib le.- que es permitido, referente a un rango de aceptacin.

Pistn.- mbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros

flexibles llamados segmentos. Efecta un movimiento alternativo.

Reciprocante.- aquel movimiento que se da donde una parte mecnica va y

viene, sube o baja de tal forma que este movimiento se usa para desempear

algn trabajo til.

Rotator io.- Dcese de lo que tiene movimiento circular.

Senoidal.- Perteneciente o relativo a las funciones seno o coseno.

Turbogenerador.- Turbina unida a un generador.

Vibracin.- movimientos oscilatorios de un cuerpo alrededor de un punto de

referencia y se pueden producir por efecto del propio funcionamiento de unamquina o un equipo.
http://es.wikipedia.org/wiki/Elemento_estructuralhttp://es.wikipedia.org/wiki/Suelo_(ingenier%C3%ADa)http://es.wikipedia.org/wiki/Suelo_(ingenier%C3%ADa)http://es.wikipedia.org/wiki/Elemento_estructural


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5. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS:1. Arnold, R. N Bycroft, G. N. y Warburthon, G. B. forced vibratioins of body on

and infinite elastic solid. J. Appl. Mech. ASME, 22 pp 391, 1955.

2. Aviles, J. Vibraciones de cimentacion para maquinara de rotacion Instituto

de Investigaciones Electricas. Reporte N IIE/42/2843/P01/90JAL, febrero

1990.

3. Awojobi, A. D. y Grootenhuis, P. Vibration of Rigid Bodies on Elastic Media,

Proc. Royal Soc. Lond, A287, pp27, 1965

4. Barkan, D. D. Dynamics of Base and Foundations. Mc. Graw Hill, 1962

5. Clough, R. W. y Penzien J. Dynamics of Structures, Mc. Graw Hill. IncNueva York, 1975

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