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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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ESTRUCTURA COMPUERTA Y MARCO

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ATB JOB nr 300000070 AUTHOR GUERINI A.

CLIENT ISAGEN LOCATION COLOMBIA

25030 Roncadelle (Brescia) Italia

Via Industriale,13

Tel. (+39) 030.25811

Telefax (+39) 030.2581222

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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:




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:



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):


A

A

B

B RSRS

Ls

A-A

2Bt'

25

300

38* 750 50

180


e1 e2B-B

180

2Bt'

c1

Fi g. 4



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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


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:




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






Deflexin mxima

La deflexin mxima de la viga es calculada del siguiente modo:

Donde:


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7.4. Viga horizontal inferior

Para la viga inferior:


A

A

B

B RSRS

Ls

A-A

180


B-B

180

2Bi'

c1

5038* 750

2Bi'

e1 e2

G x

y

Fi g. 5



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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


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:




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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






Deflexin mxima


Donde:


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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


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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DOC. Nr 300000070-N-0902


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


Seccin E-E- Viga vertical

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Seccin A-A

El corte es cero.

Seccin B-B

El corte es cero

Deflexin mxima


Donde:


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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:

sog dfo comp d 002 r01

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