diseño de compuerta hidraulica

CLIENTE : MQ METALURGICA SAC REVISIÓN: 0 PROYECTO: DISEÑO DE COMPUERTA DESLIZANTE / CASA DE MAQUINA FECHA: NOV 11, 2015 CENTRAL HIDROELECTRICA EL CARMEN

RUC 20524958652 Oficinas: Av. Los Patriotas No.168- Apto.605 Maranga – San Miguel (Lima –Perú) Talleres: Calle Edwin White Mz.D Lote.6, Industria Chalaca - Callao Teléfono: +58(285)5118261/+58(285)4151552 - Venezuela +51 981006744 (Móvil) / +51(1)6502431 (Oficina) - Perú

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Diseño mecánico de compuerta hidráulica deslizante de casa de máquina

Hidroeléctrica El Carmen

_________________________

Elaborado por: Ing. Jorge L. Arzola Collazos INGENIERO MECÁNICO CIP 101959




INDICE

1. OBJETIVO

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO – ESTRUCTURA PRINCIPAL DE LAS COMPUERTAS

PLANAS.

3. GENERALIDADES

4. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS APLICABLES

5. CÁLCULOS DE RESISTENCIA MECÁNICA / DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE LA

COMPUERTA

6. DISEÑO ESTRUCTURAL DE COMPUERTAS

7. CANTIDAD DE VIGAS HORIZONTALES EN LA COMPUERTA

8. MECANISMO DE ACCIONAMIENTO

9. CALCULO DE LA FUERZA QUE SE REQUIERE EMPLEAR PARA ELEVAR LA COMPUERTA

PROYECTADA

10. ANEXOS




1. OBJETIVO

La captación de la central y la casa de máquinas, requieren compuertas planas que

garanticen la seguridad durante los trabajos de mantenimiento en los canales en la

captación y en la casa de máquinas. La operación de las compuertas será efectuada desde

las plataformas (losa) con sus sistemas de izamiento. Las compuertas deberán operar a lo

largo de las guías laterales embebidas en el concreto y deberán sellar en su parte inferior

contra la platina del asiento inferior. Las compuertas planas en la captación podrán ser

operadas en apertura y cierre con máximo flujo, a presiones desequilibradas en los niveles

máximo extraordinario, a una velocidad entre 0.3 y 0.5 m/min por medio de un sistema

manual de transmisión de izamiento, deben poderse operar para apertura parcial en todo

el rango de desplazamiento.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO – ESTRUCTURA PRINCIPAL DE LAS COMPUERTAS

PLANAS.

La construcción de las compuertas planas es constituida por miembros de acero estructural. La

membrana deberá ser fabricada por una lámina enteriza de acero, de espesor uniforme en

toda su área, los miembros estructurales consistirán en vigas horizontales distribuidas de

forma regular, estas vigas son calculadas como vigas simplemente apoyadas en ambos

extremos, espaciadas para soportar la misma carga debida a la posición del empuje hidráulico.

Entre las horizontales se instalarán elementos rígidos verticales (Rigidizado res) para dar mayor

resistencia a la estructura y evitar la flexión. Se deberán disponer agujeros de 30 mm de

diámetro para drenaje del agua en los elementos rígidos y en las almas de las vigas

horizontales, estos agujeros no afectan la resistencia de ninguno de los miembros

estructurales de la compuerta.

Todos los espesores calculados de la compuerta para las partes sumergidas serán

incrementados en 2mm (Corrosión Admisible), para compensar el efecto por corrosión.

La deflexión admisible de todos los elementos estructurales de la compuerta no deberá

exceder de L/600 de sis respectivas luces.

La importancia en el montaje de estas compuertas se debe a que estas son el dispositivo

de seguridad que protege los equipos y el interior de la casa de máquinas en caso que se

presente crecimiento del rio y sobre pase el nivel del rebose desde la descarga al rio.




3. GENERALIDADES

Los componentes principales de una compuerta deslizante y sus características más

habituales son:

3.1 TABLERO: Estructura metálica reticular mecano soldada autor resistente, forrada con

una chapa en la cara de incidencia del agua, con juntas perimetrales fijadas mediante

pletinas y tornillería, bandas de deslizamiento en latón fijadas mediante tornillería,

patines laterales de guiado y cogidas superiores para acoplar al accionamiento.

Cuando se trata de compuertas de pequeño tamaño, puede optarse por un tablero

macizo.

3.2 GUIAS: Formadas por chapa plegada, se encargan de transmitir el empuje hidráulico

que recibe el tablero a la obra civil, guían el tablero al deslizar sobre ellas y aportan

una superficie de contacto para el sellado de las juntas laterales.

3.3 SOLERA: Formada por chapa plegada, se encarga de transmitir el peso del tablero y la

fuerza de cierre del accionamiento a la obra civil y aporta una superficie de contacto

para el sellado de la junta inferior.

3.4 DINTEL: Formada por chapa plegada, se encarga de transmitir el empuje hidráulico que

recibe el tablero a la obra civil y aporta una superficie de contacto para el sellado de la

junta superior.

3.5 SISTEMA DE OBTURACIÓN: En este tipo de compuertas se emplea junta de EPDM, que

puede ser pre-conformada en ángulo, plana o tipo nota musical en función del tipo de

compuerta y de si es una junta lateral, inferior o superior.

3.6 PUENTE DE MECANISMOS: Estructura metálica mecano soldada que soporta el peso

del tablero, el del mecanismo de accionamiento y el esfuerzo que genera dicho

accionamiento al mover el tablero a plena carga. Esta estructura queda fijada con

tornillería a las guías o anclada a la obra civil, siendo por tanto desmontable.

3.7 TORRETA DE ACCIONAMIENTO: Cuando la distancia del accionamiento al tablero así lo

requiere, el puente de mecanismos es sustituido por una torreta de accionamiento

quedando el bastidor con una longitud de guías adecuadas a la altura del tablero. Esta

torreta metálica mecano soldada soporta el peso del tablero, el del mecanismo de

accionamiento y el esfuerzo que genera dicho accionamiento al mover el tablero a

plena carga. Su fijación es a la obra civil mediante anclajes, lo que permite ser

desmontada.

3.8 MECANISMO DE ACCIONAMIENTO: Es el sistema que permite la apertura y cierre de la

compuerta a plena carga. Podrá ser manual, eléctrico, oleo hidráulico o neumático. Los

accionamientos manuales y eléctricos serán mediante husillo ascendente (salvo

requerimiento de que no lo sea) con volante en el caso manual y actuador con volante

en el caso eléctrico (uno o dos husillos y cajas reductoras en función del diseño). Los

accionamientos oleo hidráulicos se realizarán con cilindros oleo hidráulicos de doble




efecto y grupo de presión. Los accionamientos neumáticos se realizarán con cilindros

neumáticos de doble efecto y grupo compresor con calderón. En los casos que se

requiera se incluirá un cuadro eléctrico de alimentación, protección control y

señalización.

4. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS APLICABLES

4.1 La compuerta estará fabricada de acuerdo a la Norma DIN 19704 (Hydraulic Steel

Structures) y Design Hydarulic Gates (Paulo C.F. Erbisti) NBR-8883

4.2 Materiales de Construcción

• Bastidor : Acero Inoxidable AISI 316 (ocasionalmente Acero Al Carbono S275

JR / ASTM A36). Bastidor Autoportante.

• Tablero : Acero Inoxidable AISI 316 (Acero Al Carbono S275 JR / ASTM A36)

• Junta de Estanqueidad : EPDM

• Husillo : Acero Inoxidable AISI 316

• Tornillería : Acero Inoxidable A2 ó A4

• Deslizante : Polietileno de Alta densidad (PE)

4.3 Estanquidad de acuerdo a las Normas DIN 19569-4 (Clase 5) 0.02 l/s por metro lineal

de junta y AWWA C-561-04 (Sección 5) 1.24 l/min por metro lineal de junta.

4.4 Posibilidadaes de Accionamiento mediante sistema hidraulico / mecánico.

• Eléctrico motorizado con controles integrales y respaldo a volante manual

• Manual a volante directo, volante caja de engranes, cadena, manivela.

• Oleohidraúlico

• Neumático

• Viga de izaje o polipasto

• Automático con tarjetas electrónicas de control remoto o PLC programables.

4.5 Equipos y Materiales; el equipo será fabricado de acuerdo a los planos y

especificaciones y los materiales deben ser respaldado con certificado MTR (Material

Test Report) de acuerdo a las normas técnicas ASTM.

4.6 Prueba y Funcionamiento

• Se comprobará inicialmente el funcionamiento de la compuerta en modo local

y manual; revisándose la apertura y cierre de la mísma, etc.

5. CÁLCULOS DE RESISTENCIA MECÁNICA / DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE LA

COMPUERTA

Todas las partes de la compuerta se diseñaran por separado, tomando en cuenta las

fuerzas relacionadas entre sí para cada elemento a diseñar.




La Compuerta estará conformada por varias partes que a su vez se ensambla por medio de

procesos de soldadura y uniones empernadas.

5.1 Para el diseño de la Compuerta, el primer paso es calcular que el empuje de agua

actuando en la placa de la cubierta para las diferentes posiciones de abertura de la

compuerta. Su valor máximo se produce con la puerta cerrada y sometida al nivel

máximo de agua principal. Para las puertas con agua en ambos lados de la placa de la

piel, el empuje máximo de agua corresponde al nivel más desfavorable desequilibrado

entre el ascendente y los depósitos aguas abajo.

5.2 En nuestro diseño consideramos Compuerta Sumergida

Para puertas sumergidas con solamente un lado de la placa de la cubierta en contacto

con el agua, el empuje de agua se calcula:

W = γBh (H − h/2)

Donde

γ = peso específico del agua = 9.81 kN/m3

B = Distancia de lados de sellos laterales : 3000 mm

H = Máxima Cabeza Hidraúlica sobre solera inferior : 3450 mm

h = altura sellada de Compuerta : 1470 mm

El diagrama de presión tiene una forma trapezoidal. En este caso, la ubicación de la

resultante del empuje de agua está dada por

e = h/ 3 [1 + (H – h)/(2H – h)

Sustituyendo en las ecuaciones anteriores,

h = H − h1

FIG. 1 Diagrama de Presión sobre Compuertas Planas Sumergidas con agua

en un lado.




Reemplazando y calculando:

W = γBh (H − h/2)

= (9.81)(3.00)(1.470)(3.450 – (1.470/2)

= 117.457 KN (Empuje de Agua)


e = h/ 3 [1 + (H – h)/(2H – h)

= ((1.470)/3) [1 + (3.450 – 1.470)/(2(3.450) – 1.470)

= 0.66867 mt.

5.3 Espacio de Vigas Horizontales

Desde el punto de vista de costos, vale la pena tener todas vigas horizontales

igualmente cargados, con el fin de diseñar una única sección transversal para todas las

vigas.

Esto lo logramos dividiendo el diagrama de la presión en áreas equivalentes y

localización de la línea central de cada viga en el centro de cada área.

En nuestro diseño de Compuerta Sumergida:

FIG.2 Compuerta Plana Sumergida – División del diagrama en cuatro áreas

equivalente.




Podemos hacerlo graficamente definiendo la ubicación las vigas horizontales, con este

metódo, todas las vigas están igualmente cargadas.

5.4 Podemos realizar la ubicación de las vigas horizontales por un procedimiento analítico

con el uso de las siguientes ecuaciones.

Profundidad hk

hk =H [(k + β) / (n + β)]0.5 , (Donde k = 1,2,3,…,n)

Donde

β= n(H − h)2 / H2 − (H − h)2

H= Máxima Cabeza Hidraúlica sobre solera inferior : 3450 mm

h= altura sellada de Compuerta : 1470 mm

n= Cantidad de áreas o vigas

Posición de Vigas horizontal

yk = (2H /3√ n + β) [(k + β)3/2 − (k − 1 + β)3/2]

Reemplazando y Calculando, tendremos:

β= n(H − h)2 / H2 − (H − h)2 = 4(3450 − 1470)2 / 34502 − (3450 − 1470)2

β= 1.9646

hk =H [(k + β) / (n + β)]0.5 , (Donde k = 1,2,3,…,n)

yk = (2H /3√ n + β) [(k + β)3/2 − (k − 1 + β)3/2]

h1 = 2,432.27 y1 = 2,214.062

h2 = 2,812.73 y2 = 2627.10

h3 = 3147.535 y3 = 2,983.267

h4 = 3450.00 y4 = 3,301.0786

5.5 Casos de Carga

La Estándar Brasileña NBR – 8883, establece tres (03) cargas para diseñar compuertas,

de acuerdo a la frecuencia de ocurrencia y la naturaleza de la carga y las

probabilidades de coincidencias.

• Cargas Normales

• Cargas Ocacionales

Se evaluó el estándar NBR-8883, respecto a alas cargas;

Casos de cargas Normales:




Se considerará las más desfavorables valores y combinaciones de la cargas

hidrostáticas a un nivel normal de agua (Incluyendo la influencia de las olas), efecto

hidrodinámico, Fuerza de fricción, Peso Muerto, Flotación, Cargas de Transito y

Fuerzas Impulsoras.

La ocurrencia simultanea de estas cargas y niveles de agua, sus combinaciones, solo

debe considerarse cuando sea posible y probable.

Casos de cargas ocacionales .

Considera las cargas que ocurren con menos fecuencia, tales como:

- Fuerzas Hodrostarica e Hidrodinamica fuerzas en niveles inusuales de agua

- Carga de Viento

- Efecto de temperatura

- Fricción

- Impacto y presión de hielo.

Para el diseño de la compuerta sumergida, se tomara en cuenta:

1- Fuerza de Operación, sobre los elementos estructurales, se considerará un 20%

como margen de seguridad para el caso de la carga normal.; considerado para el

sistema de elevación.

2- Fuerza de Viento:

- Para compuerta en Movimiento: 500 N/m2

- Para compuerta en Reposo: 1000 N/m2

3- Efecto Térmico

- Para compuerta levantada fuera del agua temporalmente en su totalidad o la

mayor parte del tiempo : +/- 30 °C.

- Para compuerta sumergida mayor parte del tiempo o sacado del agua en entorno

protegido de grandes fluctuaciones de temperatura: +/- 20°C.

4- Influencia Sismica tomado en cuenta

La influencia sismica es tomado en cuenta en el diseño de compuertas con estos

efectos simulados como una fuerza horizontal de magnitud igual a la masa de la

compuerta, multiplicado por probable aceleración sismica horizontal en la región.

6- DISEÑO ESTRUCTURAL DE COMPUERTAS

6.1 Diseño Determinación del Espesor de la Placa de la Compuerta.

Para determinar el espesor de la pantalla (Skin) de compuerta, se hace uso de la

Tabla 5.3. Norma Estándar NBR 8883 4.1.9.4, que establece lo siguiente:

σ=± (k/100) (p) ( a2 /t2)




Donde:

k = Factor No dimensional, obtenido de la Tabla. 5.3, en función de la relación

a/b (longitud de apoyo del módulo formado por las vigas y/o refuerzos

rigidizado res) y la condición soporte del módulo.

p= Presión de agua relativa al centro del módulo

σ = Esfuerzo de Flexión debido a la presión hidrostática pura

a= Menor longitud de soporte.

b = Mayor longitud de soporte

t= Espesor de la Plancha.

Se procede a calcular P de la siguiente manera:

P = (ρ.g) Yp

Donde YP es la distancia desde el NA (Nivel de Agua) hasta el centro de la placa.

Luego YP = 2.78133 m; entonces tenemos:

P = (9800 N/m3) x (2.78133) = 27257.034 Pa.

A continuación se muestra la Tabla de la Norma NBR 8883-4.9.2.1, para el

Coeficiente k (Cálculo de esfuerzos en la placa)




FIG.3 Tomada de la Norma NBR 8883-4.9.1.4

6.2 La Fuerza de presión (Empuje Hidraúlico) actúa a los 2.78 mts. Bajo el nivel del

agua y que actúa normal a la superficie como se muestra en la fig.

FIG. 4 La Fuerza de presión (Empuje Hidraúlico) actúa a los 2.78 mts.

Luego, para el análisis del cálculo de pantalla de compuerta, se establecen

amarres en los perfiles verticales de la compuerta cada b= 623 mm y separación

de a= 356 mm.

Calculamos la relación b/a = 1.75; y condición de soporte del modulo

determinamos en la Tabla 5.3 (NBR 8883), tendremos:

K 1X = 23.9 K 4Y = 34.3

K 1Y = 10.8 K 3X = 48.4

De acuerdo a la ecuación:

σ=± (k/100) (p) ( a2 /t2)

Tendremos los esfuerzos principales que actúan en la placa de la pantalla de la

Compuerta.

σ1X =± (23.9/100) (2.7257 N/cm2) ( 35.617)2 /(0.953)2 = ± 9.09 MPa.

σ1Y =± (10.8/100) (2.7257 N/cm2) ( 35.617)2 /(0.953)2 = ± 4.11 MPa

σ4Y =± (34.3/100) (2.7257 N/cm2) ( 35.617)2 /(0.953)2 = ± 13.06 MPa

σ3X =± (48.4/100) (2.7257 N/cm2) ( 35.617)2 /(0.953)2 = ± 18.43 MPa




Por la Tabla, los valores de:

σ4X =± 0.3 (σ4Y) = ± 0.3 (13.06) = ± 3.92 MPa

σ3Y =± 0.3 (σ3X) = ± 0.3 (18.43) = ± 5.53 MPa

FIG.5 COEFICIENTE PARA ESFUERZOS ADMISIBLES – ELE. ESTRUCT.

Considerando un factor de corrección s= 0.87 de la Tabla 4 (Tabla 5.1) de la Norma

Norma NBR 8883 4.8.7.1; y teniendo la data del Acero Estructural ASTM A36,

Se= 248.1 Mpa.

Podemos calcular el esfuerzo admisible para comparar los valores calculados

Anteriormente.

σ (adm) = 0.87 (248.1) = 215.85 MPa

Como podemos observar, en todos los casos el factor de seguridad es alto; por

Ejemplo; para el valor de mayor relevancia tenemos:

ŋ = (σ (adm) / σ ) = (215.85 MPa/ 18.43 MPa) = 11.7

Este valor es superior a los factores de seguridad que recomienda la Norma

NBR 8883, por lo tanto cumple las espectativa de resistencia.




FIG. 6 Evaluación de Placa de Pantalla (Skin Plate)

6.3 Cálculo de Flexión de la Placa

Para el cálculo de la deflexión, el libro de Compuertas Hidraúlica de Ferreira

Erbisti, establece el coeficiente α (Tomoshenko) en función de la relación (b/a) y

lo cálcula de la siguiente manera:

δ = (α* p * a4) / (E* t3)

Donde:

α= Coeficiente de Timoshenko, Interpolando valores de la Tabla 5.4, se tiene, α=

0.026075.

p = Presión Hidrostática en el centro de la Placa (2.7257 N/cm2) (27257 Pa)

a = Espaciamiento entre perfiles verticales (356.17 mm)

E = Módulo de Elasticidad del Acero ( 2.1 x 105 MPa)

t = Espesor de la plancha utilizada (9.53 mm)




Reemplazando valores y calculando:

δ = (0.026075)* (2.7257 N/cm2)* (35.617 cm)4) / (2.1 x 107 N/cm2)* (0.953 cm)3)

δ = 0.0063 cm

δ = 0.063mm

FIG. 7 Comportamiento de la Placa de la Compuerta – Deflexión

6.4 Cálculo de la longitud útil de la plancha de Compuerta

Longitud útil de la Placa

La Norma NBR 8883, establece una limitación adicional para el cálculo de la

pantalla de compuerta.

LU <= 1.56 (R*t)0.5




Donde:

Lu = Longitud útil de placa de compuerta

R = Radio de curvatura de la plancha

t = Espesor de la plancha a utilizar

La plancha a utilizar es de material ASTM A36; espesor 9.53mm; R = 3000 mm.

Entonces se tiene:

LU <= 1.56 (3000*9.53)0.5

Lu = 263.77 mm

Para determinar el gráfico de momentos de la placa, se procede a calcular las

variables que muestras los gráficos siguientes:

Distribución de los perfiles verticales en la compuerta

Esta es la distribución de los perfiles verticales a lo largo de la pantalla. A

continuación, mostramos la figura sacada del Manual de Compuertas Hidráulicas

el cual calcula la posición y los momentos nulos a lo largo de la placa pantalla de la

compuerta: Diagrama de Momentos en la Placa.

(γ0) Es el coeficiente de reducción (adimensional) dado en la Fig. 5.4, en función de

la relación L/B, en donde L es la distancia medida entre dos puntos consecutivos

de momentos nulos. En la región entre apoyos, se adopta LI y (γ1) en la región entre

los apoyos, LII y γII en la región de apoyos, B es la mitad del ancho de la placa

medido entre dos vigas consecutivas o rigidiza dores.




Distribución del Momento Flector y del ancho de apoyo de la placa.




6.5 Para el cálculo de las variables γI y γII se hace uso de la figura 5.5. Esto nos

permitirá conocer el comportamiento del diagrama de momentos en la plancha.

Entonces:

2B = 623.30 → B = 311.65 mm

Luego, L/B = 356.17 / 311.65 = 1.143

Con este valor, acudimos a la Tabla que muestra la Norma NBR 8883 4.91.1

determinando los valores de γI y γII .

Esto es:

Entonces: B (γII) = 0.175 (311.65) = 54.54 mm

Por lo tanto: LI = 623.30 – 2(54.54) = 514.22 mm

LII = 109.8 mm




Distribución del Momento Flector en la Pantalla

7- CANTIDAD DE VIGAS HORIZONTALES EN LA COMPUERTA

Par determinar la cantidad de vigas que tendrá la compuerta, el libro de

Compuertas hidráulicas de Ferreira, establece la siguiente ecuación:

N0 = ((100 * h) / t) (Hm / 2σadm)0.5

Donde:

No = Es el número de vigas mínima de la compuerta

h = Altura de sellado de la compuerta en metros. (1.470mts)

σadm = Esfuerzo admisible de flexión del acero en MPa (168.64 MPa)

t = Espesor de la pantalla (9.53mm)

Hm = Metros de Columna de agua en la compuerta (2.78133mts)

El esfuerzo admisible de acuerdo a la Tabla 6, del libro de Compuertas Hidráulicas

de Ferreira es:

σadm = 0.68 Se = 0.68 (248 MPa) = 168.64 MPa

Reemplazando valores en la ecuación y calculando:

N0 = ((100 * h) / t) (Hm / 2σadm) = ((100*1.470) / (9.53)((2.78133/(2(168.64))0.5

N0 = 1.4 (Cantidad de mínimas de vigas).

Por lo tanto, se puede decir que con 2 o 3 vigas horizontales el sistema cumple con

las expectativas. En este caso de la compuerta sumergida estaremos utilizando 4

vigas horizontales montadas a la pantalla de compuerta.

7.1 Se calcula el espesor mínimo de los perfiles horizontales de la pantalla de

Compuerta.

Espesores de Almas en Vigas Horizontales:




Con la ecuación (5-7) del libro de Compuertas Hidráulicas de Ferreiras, se calcula

espesor:

Donde:

F = Carga hidrostática actuante en la viga, 117.457 KN (Empuje de Agua)

hV = Altura del perfil seleccionado

Ϯadm = Esfuerzo admisible de corte calculado con la Tabla 7, considerando como

Material al ASTM A36 con Sy = 248.1 MPa y la Tabla 6, para el valor de

s = 0.39, tenemos.; Ϯadm = 0.39 Sy = 96.76 MPa.


t = (117457 N) / (2 (10.16)(9676 N/cm2) = 0.5974 cm

Es decir, los perfiles horizontales deberán tener un espesor de alma:

ta = 6 mm (Mínimo).

Incluyendo C.A. (Corrosión Admisible de 2 mm).

Usaremos perfiles “TEE”, 4”x 4” x 3/8" Material ASTM A-36

7.2 Esfuerzo de Corte en Almas de Perfiles de Compuerta.

Para el cálculo del esfuerzo cortante en las almas de los perfiles, se hace uso

de la Norma NBR 8883 – 4.8.6.4, que establece lo siguiente:

Ϯ = ((V) / (ta (hV – 2(tm) )

Donde:

Ϯ = Esfuerzo Cortante calculado

ta = Espesor del alma del perfil

tm = Espesor del ala del perfil

hV =Altura del Perfil

Se asume que la fuerza máxima de empuje actúa uniformemente sobre la viga

considerando el número de perfiles verticales de la pantalla (N= 4), actuando en el

centroide del alma del perfil, tenemos:

Para el perfil TEE mostrado en el diseño de forma de la compuerta: hV =102mm y

tm = 10mm, ta = 10mm, según Tablas Normalizadas.




W/4 = 117.457 KN / 4 = 29364.25N

Luego reemplazando en la Ecuación, tendremos:

Ϯ = ((V) / (ta (hV – 2(tm) ) = ((29364.25) / (1 cm (10.2 cm- 2(1 cm) =

Ϯ = 3581.01 N/cm2

A continuación, procedemos a calcular el factor de seguridad de dicho perfil en

base al esfuerzo admisible utilizando la Tabla 5.1 del Libro de Compuertas

Hidráulicas por Paulo Cesar Ferreira Erbish.

Se sabe que el Material es acero ASTM A36 con SY = 248.1 MPa,, de la Tabla 6,

s = 0.39, tenemos:

Ϯasm = 0.39 Sy= 96.76 MPa = 8086 N/cm2

Luego el factor de seguridad es:

ŋ = (Ϯasm) / (Ϯ) = 8086 N/cm2/ 3581.01 N/cm2 = 2.25

Luego el factor de seguridad es: 2.25

Es decir que el perfil seleccionado con alma e = 10 mm, es un resultado

Coherente.

8. MECANISMO DE ACCIONAMIENTO

Mecanismo de accionamiento: formado por husillo, tuerca, volante, columna de

maniobra y reenvíos. El husillo está construido en rosca trapecial DIN 109 y acero

inoxidable AISI 316L o acero F-112 de diámetro en función de la longitud de forma que

se limite la flecha a 1/1000 de la longitud. Lleva en su parte superior una zona

mecanizada para acoplar el soporte del volante. Se montan dos husillos a partir de un




ancho de compuerta superior a 1,20 m. la tuerca se fabrica con material de bronce

para el accionamiento del husillo. Estas irán alojadas en la parte superior del tablero o

del puente (columna) dependiendo de si el husillo es ascendente o fijo. El volante está

construido en fundición, en él irá alojado un soporte con rodamientos que mejora su

maniobrabilidad.

Configuración de Mecanismo de accionamiento




9. CALCULO DE LA FUERZA QUE SE REQUIERE EMPLEAR PARA ELEVAR LA COMPUERTA

PROYECTADA

Condiciones de Operación:

• Mecanismo Manual

• Compuerta Sumergida

• Compuerta de Acero / Peso de la Compuerta

• Criterio Estructural y Funcionamiento.




9.1 Cálculo del peso de la Compuerta

- Para que la Compuerta pueda hundirse hasta el fondo de la losa del canal, esta

deberá tener un peso tal que supere el peso del volumen de agua que desplaza.

- Conociendo las dimensiones de la Compuerta podemos calcular su volumen total

por desplazar :

Ancho: 3000 mm (Distancia entre lados de sello)

Altura: 1470 mm (Altura de Sello) + 330mm (Canal de Fondo) = 1800 mm

Espesor: 200 mm

- Calculamos el Volumen de la Compuerta, V = 3.00 x 1.470 x 0.20 = 0,882 M3

- Para definir el peso total de la Compuerta, consideramos que es el peso total del

agua desplazada más un 20% adicional.

- Considerando la densidad de agua: 1000 KGS / M3, se obtiene un peso total de:

Peso: (0.882 M3 x 1000 KGS / M3) (1.20) = 1058.40 KGS.

- Para el sistema de elevación sobre elementos estructurales, se considera un 20%,

como margen de seguridad para el caso de carga normal. Teniendo como carga

final a ser considerada: 1270 KGS.

9.2 Cálculo de la fuerza que se necesita para elevar la Compuerta

Peso de la Compuerta (W): 866 KGS.

Distancia h: 1980mm (Distancia entre el nivel superior de agua sobre la parte superior

de la Compuerta).

L = Altura de Compuerta (Lado de sello): 1800 mm

Peso Específico (γ) del Agua: 1000 KG/M3

Coeficiente de Fricción (µ = 0.10).

Cálculo de la Fuerza requerida:

• Fuerza Hidrostática

hch = ( h + L/2) = (1.980 + 1.800/2) = 2.88 M y A = (1.800 )(3.00) = 5.4 M2

FH = (γ)(hcg)(A) = (1000)(9.81)(2.88)(5.4) = 152.57 KN = 15557.81 Kg-f

• Fuerza F para levantar la Compuerta.

F = W + fricción → fricción = Fh (µ)

F = 866 + 15557.81(0.10) = 2421.781 Kg-f

9.3 De acuerdo a lo evaluado con ambos criterios, determinamos el más crítico para el

diseño y/o selección del sistema de Elevación de Compuerta.




10. ANEXOS

anexos

diseño de compuerta hidraulica

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