3.4 elementos basicos de soportacion

7/25/2019 3.4 Elementos Basicos de Soportacion

1/85

CURSO BSICO DE ANLISIS DE FLEXIBILIDAD DE TUBERAS

3.- FUNDAMENTOS TERICOS

Prof. Juan Carlos Gonzlez MazzocchinProf. Karen Oliver Piay

3.4.- ELEMENTOS BSICOS DE SOPORTACIN

1


2/85


OBJETIVO DEL CAPTULO

El objetivo de sta seccin es, introducir los elementos bsicos de soportacin de tuberas, sufuncin y el procedimiento de seleccin de cada uno de ellos.

Durante el desarrollo del captulo se indicar la importancia del diseador de soportes dentrodel anlisis de flexibilidad, la interpretacin de una isomtrica de flexibilidad, los elementos de

soporte ms utilizados en un complejo industrial, su funcionalidad y las consideracionestcnicas que se deben de tener en cuenta a la hora de seleccionar un soporte.

El contenido del presente captulo, es fundamental para el desarrollo del curso y de losconocimientos de una analista de flexibilidad y diseador de soportes, por lo cual se lerecomienda al alumno, revisar el material con mucha atencin.



2



3/85


NDICE3.4.1 INTRODUCCIN A LOS SOPORTES DE TUBERAS

3.4.2 INTERPRETACIN DE UNA ISOMTRICA DE STRESS

3.4.3 TIPOS DE RESTRICCIONES

3.4.4 ESTANDAR DE SOPORTES3.4.5 DISEO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES

3.4.6 SOPORTES FLEXIBLES

3.4.7 BIBLIOGRAFA



3



4/85

Uno de los objetivos fundamentales del diseo y anlisis de flexibilidad de tuberas, es lade garantizar la integridad estructural de las tuberas. Dicha integridad se consiguemediante la seleccin adecuada del espesor (schedule) de la tubera y la seleccinadecuada de los soportes de tuberas.

La seleccin adecuada del espesor de la tubera, permitir contener el fluido y la presininterna de la tubera, mientras que, la seleccin de los soportes se requiere para soportarel peso de la tubera (peso propio de la tubera, peso del fluido, aislamiento y accesorios),para controlar los movimientos de las tuberas, resistir las cargas producto de fuerzasexternas como sismo y viento, proteger equipos delicados como bombas o compresores,incrementar la rigidez del sistema y controlar las vibraciones.



3.4.1 INTRODUCCIN A LOS SOPORTES DE TUBERAS


Teniendo en cuenta que en un complejo industrial puedellegar a haber decenas de miles de soportes, el trabajo dediseo, construccin y montaje es uno crticos durante eldesarrollo del complejo y que debe de realizarse conmucho cuidado.

Prof. Juan Carlos Gonzlez MazzocchinProf. Karen Oliver Piay 4


5/85

a) Importancia del diseo de soportes en el anlisis de flexibilidad

Como se explic en el modulo 1, el analista de flexibilidad se encarga principalmente derealizar el anlisis de flexibilidad del sistema de tuberas y validar las cargas en los equiposde conexin, as como, determinar los puntos de soportado necesarios.






Una vez que se ha hecho el anlisis deflexibilidad, el diseador de soporteshaciendo uso de la isomtrica de stress,disea y materializa las restriccionesindicadas, en soportes reales, capaces desoportar el sistema de tuberas y controlarlo.

5


6/85

a) Importancia del diseo de soportes en el anlisis de flexibilidad

El trabajo de un diseador de soportes, es vital para el funcionamiento, no solo delsistema de tuberas, sino del complejo industrial por completo.

Un mal diseo de los soportes o una mala interpretacin de las restricciones indicadas enla isomtrica de stress, pueden generar fallos en el sistema de tuberas o una trasmisinexcesiva de cargas en los equipos de conexin o estructuras, lo cual puede llevar al fallodel sistema.

Por bien hechos que est el anlisis de flexibilidad, es responsabilidad del

diseador de soportes la materializacin de esas restricciones en soportes

reales, por lo que el correcto funcionamiento del sistema es su responsabilidad.







7/85


8/85

c) Normas que aplican al diseo de soportes

El diseo y clculo de soportes, se basa principalmente en los estndares de cadacompaa, principios bsicos de resistencia de materiales, datos experimentales y de unaserie de normas y cdigos internacionales.

Los principales cdigos y normativas internacionales, que rigen el diseo de soportes sonlas siguientes:

ASME B31.1 Power Piping (utilizado nicamente en nucleares)

ASME B31.3 Process Piping

AISC: American Institute of Steel Construction PFI: Pipe Fabrication Institute

ANSI: American National Standard Institute







9/85


MSS: Manufacturers Standarization Society (Standard Practice)

MSS-SP-58 Pipe Hangers & Supports

MSS-SP-69 Pipe Hangers and Supports Selection and Application

MSS-SP-77 Pipe Support Contractual Relationships

MSS-SP-89 Pipe Hangers & Supports. Fabrication & Installation

MSS-SP-90 Terminology for Pipe Hangers & Supports







10/85


Adicionalmente, hay empresas que fabrican elementos de soportes como muelles,abrazaderas, amortiguadores, etc, que en sus propios catlogos incluyen los mtodos declculo y seleccin de cada uno de los elementos.

Entre los principales fabricantes de soportes a nivel mundial, se encuentran:

PSS: Pipe Support System (http://www.pipesupp.de/)

PSL: Pipse Support Limited (http://www.pipesupports.com/)

Lisega (http://www.lisega.de/)

Pihasa (empresa espaola) (http://www.pihasa.com/)

Grinnell (http://www.grinnell.com/)

Carpenter & Paterson (http://www.carpenterandpaterson.com/)





http://www.pipesupp.de/http://www.pipesupports.com/http://www.lisega.de/http://www.pihasa.com/http://www.grinnell.com/http://www.carpenterandpaterson.com/http://www.carpenterandpaterson.com/http://www.carpenterandpaterson.com/http://www.carpenterandpaterson.com/http://www.carpenterandpaterson.com/http://www.carpenterandpaterson.com/http://www.carpenterandpaterson.com/http://www.carpenterandpaterson.com/http://www.grinnell.com/http://www.grinnell.com/http://www.grinnell.com/http://www.grinnell.com/http://www.grinnell.com/http://www.grinnell.com/http://www.grinnell.com/http://www.pihasa.com/http://www.pihasa.com/http://www.pihasa.com/http://www.pihasa.com/http://www.pihasa.com/http://www.pihasa.com/http://www.pihasa.com/http://www.lisega.de/http://www.lisega.de/http://www.lisega.de/http://www.lisega.de/http://www.lisega.de/http://www.lisega.de/http://www.lisega.de/http://www.pipesupports.com/http://www.pipesupports.com/http://www.pipesupports.com/http://www.pipesupports.com/http://www.pipesupports.com/http://www.pipesupports.com/http://www.pipesupports.com/http://www.pipesupp.de/http://www.pipesupp.de/http://www.pipesupp.de/http://www.pipesupp.de/http://www.pipesupp.de/http://www.pipesupp.de/http://www.pipesupp.de/


11/85

d) Estndares de Soportes de Tuberas

La mayora de las empresas de ingeniera o clientes, como por ejemplo Cepsa, Repsol,Shell, BP, Galp, Aranco, etc, han desarrollado sus propios estndares de soportes, loscuales han sido basados en la normativa y cdigo internacionales indicados

anteriormente, as como, la experiencia propia de cada empresa.La prctica ms habitual, es utilizar los estndares de cada compaa o cliente, para eldiseo de los soportes bsicos de un sistema de tuberas y utilizar los catlogos devendedores, para los elementos flexibles como muelles, amortiguadores, las juntas deexpansin, etc.

Los estndares de soportes, suelen incluir los soportes ms utilizados e indicanrestricciones de uso, como por ejemplo, tamaos de tuberas, materiales, cargas, etc. A lahora de seleccionar un soporte, el procedimiento general es seleccionar el soporterequerido el cual esta identificado con un cdigo nico, verificar que cumple con lasrestricciones de uso en cuanto a materiales, dimetro de tuberas y cargas estipuladas enel estndar y definir los parmetros constructivos requeridos por el estndar.







12/85


A pesar de que cada compaa o cliente tiene su propio estndar, en general todosmanejan la misma filosofa y tipos de soportes, por lo que suelen ser sencillos de utilizar,siempre y cuando, se conozcan los tipos bsicos de soportes y las consideraciones

tcnicas generales que se deben de tener a la hora de seleccionar y disear un soporte.






Los soportes que se encuentran incluidos endichos estndares, se suelen conocer comosoportesestndary suelen representar el 80% delos soportes que se utilizan en un complejoindustrial. La ventaja de utilizar stos soportes, es

que no se tienen que hacer clculos ni planoconstructivo para cada uno de ellos y permiten unaestandarizacin de los soportes de la planta,facilitando el diseo, acopio de material yconstruccin.

12


13/85


En algunos casos, se requiere de un soporte que no esta incluido en los estndares, porlo cual se debe de realizar su diseo, clculo y plano constructivo del mismo. A stostipos de soportes se les conoce como soportesespeciales.






Tambin, existe otra familia de soportesdenominada soportes estructurales, los cualesson aquellos soportes que debido a lasdimensiones y/o cargas que deben de soportar, nopueden ser calculados utilizando conceptosbsicos de resistencia de materiales y que deben

de ser diseados por el departamento deestructuras de la compaa. En ste caso lasdimensiones y cargas, son trasmitidas aldiseador de estructuras para que l sea elencargado de su diseo y emisin del planoconstructivo del mismo.

SOPORTEESPECIAL

SOPORTESESTRUCTURALES

13


14/85


Durante el desarrollo del curso se utilizar el catalogo de Pihasa para la seleccin demuelles de carga variable, muelles de carga constante, placas de tefln y lubrite yamortiguadores.

Para elementos estndar de soportes, se va a emplear un estndar creadoespecialmente para el curso, el cual permitir una seleccin rpida y sencilla de loselementos bsicos de soportacin.






Dicho estndar esta incluido en la seccin 3.4.4 delpresente captulo.

14

CURSO BSICO DE AN ISIS DE F EXIBI IDAD DE TUBERAS


15/85

Una vez realizado el anlisis de flexibilidad a una lnea, el analista representa en unaisomtrica las restricciones necesarias, para indicarle al diseador de soporte que tipo yubicacin de los soportes debe emplear.

El analista de flexibilidad deber de representar en una isomtrica de stress, como

mnimo la siguiente informacin: Ubicacin y tipo de restriccin (1)

Gap (holguras) permitidas en el caso de guas o anclajes (2)

Cargas a las que deben de ser diseados los soportes (generalmente si la carga esmenor a 1000 kg, no se suele indicar) (3)

En el caso de muelles, se deber de indicar carga de operacin, magnitud y sentidodel desplazamiento (4)

Si se requiere que el soporte tenga una rigidez determinada, de manera que permitaun desplazamiento mximo, se deber de indicar en el soporte dicho desplazamiento (5)








16/85






A continuacin se presenta el resumen de las representaciones grficas, que se utilizan paraindicar en una isomtrica de stress las restricciones necesarias.

En la figura 3.4.1 se muestra larepresentacin grfica de restricciones aemplear durante el curso.

16



17/85








18/85

En la figura 3.4.1, se han incluido las representaciones de las restricciones que deben deser empleadas por el analista de flexibilidad, en una isomtrica de stress.

Cabe destacar que la definicin de las restricciones que se ha realizado, esta basada enel eje de coordenadas indicado, por lo cual siempre hay que prestar atencin al eje de

coordenadas que se est utilizando en el clculo.






Las restricciones mostradasanteriormente, pueden combinarseentre s; como por ejemplo semuestra en la siguiente imagen.

18



19/85

Los soportes de tuberas, pueden ser categorizados segn la funcin y restriccin queejercen sobre un elemento de tubera.

De sta manera, los soportes pueden clasificarse como: apoyos, guas, anclajesdireccionales, anclaje total y soportes flexibles.

Para comprender el funcionamiento de cada uno de los tipos de soportes, convienerecordar que todo punto de un sistema de tuberas tiene seis (6) grados de libertad: tres(3) traslaciones y tres (3) rotaciones. Sin ninguna restriccin, cualquier elemento detuberas puede moverse en las direcciones x, y, z y rotar alrededor de los ejes x, y, z.



3.4.3 TIPOS DE RESTRICCIONES



Cada uno de los soportes mencionados anteriormente, secaracteriza por restringir uno o ms grados de libertad de

un elemento de tubera, siendo precisamente ese grado ogrados de libertad restringidos, lo que caracterizan a cadasoporte.

A continuacin se describe el funcionamiento de cada unode ellos, tomando como referencia el sistema decoordenadas mostrado en la imagen adjunta.

19



20/85

Apoyos: restriccin utilizada para soportar el peso propio del sistema de tuberas yaccesorios. Restringe el desplazamiento en la direccin +y.

A continuacin se muestran las representaciones en isomtrica de stress, en caepipe y elsoporte real equivalente de ste tipo de restriccin



3.4.3 TIPOS RESTRICCIONES





21/85

Guas: restriccin utilizada para controlar los movimientos laterales de la tubera..En algunas ocasiones puede requerirse limitar el desplazamiento de la tubera, en unnico sentido, por ejemplo +x,permitiendo el libre movimiento en el sentido -x,stetipo de restriccin tambin es un gua.







21



22/85

Anclajes Direccionales: restriccin utilizada para controlar los movimientos axialesde la tubera. Al igual que en el caso de las guas, puede requerirse limitar nicamente eldesplazamiento axial de la tubera en un nico sentido.

A continuacin se muestran las representaciones en isomtrica de stress, en caepipe y el

soporte real equivalente de ste tipo de restriccin






22



23/85

Anclaje Total: restriccin utilizada para impedir el movimiento de la tubera en elpunto deseado. ste tipo de soportes restringe los 6 grados de libertad en el punto deaplicacin. Un ejemplo, claro de este soporte son las conexiones a equipos, las cualesimpiden el movimiento del elemento de tubera en sus 6 grados de libertad.







23



24/85

Soportes Flexibles: es una restriccin que permite soportar la carga que gravitasobre un punto determinado, a la vez que permite el desplazamiento de dicha carga en ladireccin de aplicacin de la fuerza. Ejemplos de ste tipo de soporte, son los muelles ylos amortiguadores.

A continuacin se muestran ejemplos de ubicacin de un muelle y de un amortiguador enCaepipe y sus equivalente en el modelo real de tuberas.





Muelle Amortiguador


24



25/85

Es importante recalcar que los soportes flexibles, no solo se consiguen utilizando muelleso amortiguadores, tambin pueden ser construidos mediante vigas flexibles.

En la figura 3.4.1 se muestra un ejemplo de uso de un soporte con vigas flexibles. Laimagen a) muestra el sistema de tubera en fro, es decir, no en operacin. Mientras que,

la imagen b) muestra el mismo sistema en operacin.





Se puede apreciar, comola viga permite soportarla carga del sistema y almismo tiempo permitesu desplazamiento.

En la siguiente pginase muestran losesfuerzos ydesplazamientos de laviga.


25



26/85

La figura 3.4.2, muestra los esfuerzos de Von Mises y los desplazamientos. Se puedeobservar como los esfuerzos mayores se encuentran concentrados en la unin a latubera y en la unin al soporte base.

En el caso de los desplazamientos, se observa claramente que el punto de unin con la

tubera, es el que representa un mayor desplazamiento.






26



27/85

En la seccin 3.4.1 se identificaron los tipos de soportes que podemos encontrar en unaplanta industrias; soportes estndares, especiales y estructurales.

sta seccin se centrar en la definicin y utilizacin de los soportes estndar, medianteel uso de un estndar de soportes creado especialmente para el curso bsico de

flexibilidad.El estndar que se muestra a continuacin recoge los soportes ms utilizados y sonrepresentados de una manera sencilla, que permita la familiarizacin por parte delestudiante con un estndar de soportes.

Se recuerda al estudiante, que a la hora de seleccionar o disear un soporte debe deutilizar el estndar del cliente o de la compaa de ingeniera para la cual trabaja. Elestndar que se presenta en el curso, ha sido simplificado y se han obviado ciertosparmetros constructivos, ya que el objetivo principal de ste modulo, es que el alumnose familiarice con los diferentes tipos de soportes y las restricciones que ejercen sobre elsistema de tuberas.





3.4.4 ESTANDAR DE SOPORTES

27



28/85






28



29/85






29



30/85






30



31/85






31



32/85

En esta seccin, se har breve descripcin del diseo constructivo de los soportesindicados en el estndar de soportes, mostrado en la seccin 3.4.4.

3.4.5.1 ELEMENTOS BSICOS DE SOPORTE

Los elementos bsicos de soporte son aquellos utilizados con mayor frecuencia duranteel desarrollo de ingeniera de una planta industrial y representan los soportes rgidosprincipales para materializar restricciones de apoyo, guas y anclajes.

A continuacin se indican los soportes que conforman los elementos bsicos de soporte:





3.4.5 DISEO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES

32



33/85


Cunas:

Las cunas son elementos de soporte realizados a partir de un tramo de tubera de 120 yde una longitud determinada por el diseador de soportes. Son utilizadas en lossiguientes casos:






33

En tuberas de espesor muy delgado, con elobjetivo de reforzar la zona de apoyo o sobrela cual se va a trasmitir la fuerza o elmomento; por ejemplo en la unin de untrunnion con una tubera vertical. Al inicio deun proyecto de ingeniera el responsable delgrupo de flexibilidad y soportes, en conjuntocon el responsable de materiales, realizan elclculo de cuales tuberas requerirn el usode cunas en funcin del dimetro y de laespecificacin de materiales



34/85


Cunas:

En tuberas de acero inoxidable o aleado, las cuales requieran estar encontacto con acero al carbono. En ste caso se coloca la cuna para evitar lacorrosin entre los diferentes materiales y su principal funcin es de servir deelemento de transicin.

En el estndar de soportes que se utilizar en el curso, la cuna viene indicada por elsoporte C1. En ste soporte se deber de indicar la longitud de la cuna (por defecto es300mm, la cual puede ser modificada por el diseador de soportes, si as lo requiere) y elmaterial: CS (Acero al carbono); AS (aleado) ; SS (inoxidable).






34



35/85


Zapatas:

Las zapatas son soportes realizados a partir de perfiles (por ejemplo, medio perfil IPN100) o partir de chapa metlica. Las zapatas son utilizadas principalmente en lossiguientes casos:





Apoyo de tuberas con pendiente. En stos casos la alturade las zapatas a lo largo de una lnea con pendiente, vacambiando en funcin de la inclinacin de la tubera.

Apoyo de tuberas con aislamientos. En stos casos se

deber de tener en cuenta el espesor de aislamiento paragarantizar de que no haya interferencia entre el aislamiento,la zapata y la superficie de apoyo. Generalmente, lasalturas de las zapatas se estandarizan en funcin delespesor de aislamiento, para facilitar el diseo, construcciny montaje.

35



36/85


Zapatas:

Apoyo de tuberas que se encuentren elevadas con respecto a la superficie deapoyo, en una diferencia de elevaciones no mayor a 300 mm (nota: ste criteriopuede variar en funcin de los requerimientos de la especificacin de soportesempleada). Si la diferencia de elevacin es mayor que la indica, es necesarioutilizar un elemento estructural adicional.

En el estndar de soportes que se utilizar en el curso, la zapata viene indicada por lossoportes Z1 y Z2. En stos soportes se deber de indicar la altura de la zapata, la cual seha estandarizado en funcin del espesor de aislamiento, sin embargo, si el diseador desoportes lo considera necesario puede ser modificada.

El soporte Z2 deber de ser utilizado nicamente para tuberas galvanizadas.





36



37/85


Zapatas:

Cabe destacar que en el caso de que la tubera a soportar sea de acero inoxidable oaleado, se deber de tomar la precaucin de incluir una cuna del mismo material de latubera, como elemento de transicin entre la tubera y la zapata, para evitar la corrosin.

En el caso de tuberas galvanizadas, no se puede soldar ningn elemento a la tubera yaque se perdera el galvanizado, por lo cual el elemento de transicin entre la tubera y lazapata sern dos abrazaderas, tal y como se muestra en la imagen.





37



38/85


Guas:

Las guas son elementos realizados a partir de chapa metlica o perfiles estructurales, loscuales tienen como principal funcin la de controlar los movimientos laterales de latubera en un punto determinado.

Las guas que se utilizarn en el estndar de soportes del curso, vienen representadaspor los siguientes estndares:





G1estndar utilizado para guiar tuberas con zapataso pedestales.

G2estndar utilizado para guiar tuberas que apoyandirectamente o que utilizan cuna.

G3 estndar utilizado para guiar tuberas que NOrequieren apoyo.

38



39/85


Anclajes:

Los anclajes son elementos realizados a partir de chapa metlica o perfiles estructurales,los cuales tienen como principal funcin la de controlar los movimientos axiales de latubera en un punto determinado.

Los anclajes que se utilizarn en el estndar de soportes del curso, vienen representadaspor los siguientes estndares:





S1 ste estndar puede ser unidodirectamente a la tubera si el material y

espesor de la misma lo permite, a la cunao a la zapata, segn se requiera.

S2estndar utilizado para controlar losdesplazamientos axiales de las tuberasque requieren de un pedestal.

39



40/85


Abrazaderas:

Las abrazaderas son realizadas a partir de chapa metlica y son utilizadas cuando sequiere evitar o no se puede, soldar el elemento de soporte directamente a la tubera,como por ejemplo en tuberas galvanizadas.

Las abrazaderas que se utilizarn durante el curso, estn incluidas en los soportes Z2 yH2.





El soporte Z2 es una zapata con abrazaderas,como la que se muestra en la imagen adjunta. Es

utilizada en tuberas galvanizadas.El soporte H2, es un colgante con abrazadera, elcual se suele utilizar en tuberas galvanizadas ocuando el peso a soportar por el colgante eselevado y el espesor de la tubera es pequeo.

40



41/85


Colgante:

Los colgantes constan de bsicamente tres elementos: el elementode unin a la estructura (1), la varilla (2) y el elemento de unin a latubera (3).

Son utilizados cuando se requiere soportar la tubera y no hayestructura que permita realizar el apoyo mediante zapatas,pedestales o apoyo directo.

Los colgantes que estn incluidos en el estndar del curso, estn

representados por los soportes H1 y H2.

Los colgantes tienen una restriccin en cuanto al ngulo de rotacinque pueden soportar. Generalmente, sta restriccin es de 15, sinembargo, hay que corroborar con el estndar del fabricante o delcliente que se este utilizando.





41



42/85

3.4.5.2 TRUNNIONS Y PEDESTALES

Los trunnions y pedestales, son soportes realizados a partir de tubera y son utilizadospara generar el apoyo requerido de la tubera.

Son utilizados cuando se requiere soportar una tubera directamente en el codo o porejemplo dar apoyo en un tramo vertical de tubera.

El material de la tubera a utilizar en el trunnion o en el pedestal, debe de ser compatiblecon la tubera que se esta soportando o de lo contrario habra problemas de corrosin.

Los estndares de soportes que emplean trunnion o pedestales son: T1, T2, T3, F1 y F2.

En la siguiente pgina se muestran varios ejemplos reales de uso de trunnions ypedestales.

ste tipo de soportes, representan junto con las zapatas y cunas, los soportes msutilizados en una planta industrial, por lo simplicidad y versatilidad.





42



43/85

3.4.5.2 TRUNNIONS Y PEDESTALES





43

Los trunnions son utilizados en tramosverticales de tubera y/o en codos (la tuberadel trunnion en horizontal), mientras que, lospedestales son utilizados en tramoshorizontales y/o codos (la tubera del pedestalen vertical) . Para mayor aclaracin ver elestndar de soportes del curso.



44/85

3.4.5.3 ELEMENTOS ESTRUCTURALES

En muchas ocasiones las tuberas no pueden ser soportadas con un nico elemento desoporte, por ejemplo, una zapata o trunnion, debido a que estn alejadas de unaestructura o del suelo de donde unirse.

En stos casos se debe de utilizar elementos estructurales para poder materializar larestriccin requerida.

Los estndares de soportes de las diferentes compaas de ingeniera o de los propiosclientes, incluyen una serie de configuraciones de soportes estructurales estndar en loscuales se suelen indicar las cargas mximas admisibles en funcin de las dimensionesdel soporte y de los perfiles a emplear.

En algunas ocasiones el soporte que se requiere no esta incluido en los estndares, y esnecesario hacer un soporte especial (diseador y dimensionado por tuberas) o unsoporte estructural (diseado y dimensionado por civil) cuando las cargas y/odimensiones requieren de un clculo estructural.





44



45/85


Los elementos estructurales que vamos a utilizar de referencia durante el curso estnrepresentado por los siguientes estndares: P1 al P12.

A continuacin se muestran varias imgenes de configuraciones de soportes, en la que

se utilizan elementos estructurales como complemento.





45



46/85






46



47/85

En la seccin 3.4.3 se definieron los soportes flexibles como elementos que permitensoportar la carga que gravita sobre un punto determinado, a la vez que permite eldesplazamiento de dicha carga en la direccin de aplicacin de la fuerza.

Entre los elementos flexibles se encuentran: los muelles de carga variable, los muelles de

carga constante y los amortiguadores (snubbers).A continuacin se indicar el procedimiento de seleccin de cada uno de stoselementos.





47



48/85

3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

Son soportes de muelle en los que la carga vara con el desplazamiento y se emplean ensitios donde dicho desplazamiento es pequeo o medio Por ejemplo segn el fabricanteespaol PIHASA se recomienda su uso hasta 75mm.

Hay distintos modelos en funcin de la magnitud de dicho desplazamiento y diferentesconfiguraciones que permiten su instalacin como soportes de apoyo (con la tubera porencima del soporte) o como elemento de cuelgue (con la tubera debajo del soporte).

En la seccin 3.4.1 se mencionaron los principales fabricantes de muelles a nivel mundialy se indic que para el curso se utilizar el catalogo de Pihasa para la seleccin demuelles de carga variable.

El mtodo de seleccin de muelles de carga variable, es similar entre todos losvendedores, ya que usan los mismos parmetros de entrada. Sin embargo es importanteguiarse por el procedimiento de seleccin particular de cada vendedor.





48



49/85


Cundo usar un muelle de carga variable?

Un muelle se coloca por la necesidad de dar soporte a unatubera en un punto de su recorrido, que debido a cambios delongitud, por lo general como efecto de dilataciones trmicas oasentamientos diferenciales, varia la posicin de ese puntoentre el estado sostenido y el de operacin.

Por ejemplo, se emplean frecuentemente en tramos verticales

de lneas calientes que suben torres y estructuras y querequieren de la reparticin de la carga en puntos intermedios.Como primer apoyo despus de la conexin a un tanque dealmacenamiento para absorber los asentamientosdiferenciales, etc.





49



50/85


a) Datos necesarios para la seleccin del muelle de carga variable.





Para seleccionar un muelle se requiere de la siguiente informacin:

Carga de Operacin (Kg)

Magnitud y sentido del desplazamiento (mm). El sentido deldesplazamiento se indica con (+) si es hacia arriba y (-) si es haciaabajo

Tipo de unin a la estructura de soporte

Configuracin de instalacin, de apoyo a la tubera o de elementode cuelgue.

Porcentaje de Variabilidad (porcentaje de variacin entre la cargaen fro y la carga en caliente) no debe ser superior a 25%

50



51/85


a) Datos necesarios para la seleccin del muelle de carga variable

La carga de operacin, la magnitud y el sentido del desplazamiento, son valores que seobtienen directamente del Caepipe al realizar el clculo de flexibilidad y que debern de

ser identificados por el analista de flexibilidad, en la isomtrica de stress.

A continuacin se muestra un ejemplo del input de Caepipe, los datos de Caepipe para laseleccin del muelle y la representacin de dicha informacin en una isomtrica de stress.

Posteriormente, es labor del diseador de soportes la seleccin final del muelle en funcinde los datos indicados por el analista de flexibilidad.





51



52/85







52



53/85



La carga en operacin (hot load) debe de ser representada en Kilogramos y eldesplazamiento siempre debe de ser aproximado al entero correspondiente, nunca se

debe de especificar un muelle con desplazamientos con decimales.

Es importante mencionar que el Caepipe tiene la opcin de seleccionar diferentesfabricantes de muelles, de manera que el programa automticamente selecciona el muelle.Sin embargo, Pihasa no se encuentra en la base de datos de muelles por lo cual seselecciona cualquier vendedor, ya que lo importante es obtener los datos de carga deoperacin y desplazamientos que son los que permiten la seleccin del muelle mediante el

catalogo.





53



54/85


b) Modelo, tipo y tamao de muelle

A la hora de seleccionar un muelle de carga variable, es necesario indicar el modelo,tipo y tamao del muelle.

Modelo: los modelos de muelle disponibles dentro del catalogo de Pihasa son:CVC, CV, CVL y CVLL.

Al elegir el modelo adecuado se debe de tener en cuenta que la variacin decarga desde la posicin fra del muelle a la posicin caliente sea igual o inferior al25%. En algunos casos este porcentaje de variabilidad suele ser limitado por los

clientes o compaas de ingeniera a un valor menor (por ejemplo 20%) paradisminuir las tensiones a las que esta sometida la tubera.





54



55/85



Modelo:

Si el porcentaje de variabilidad no se cumple, hay que recurrir a un muelle conuna constante de rigidez menor y si llegase a darse el caso, de que no hay ningnmuelle de carga variable que cumpla con dichas condiciones, se deber de pasara un muelle de carga constante.

Segn este criterio se recomienda el uso de los modelos, de acuerdo a lossiguientes rangos de desplazamiento:

CVC hasta 10 mm CVL entre 20 y 50 mm

CV entre 10 y 20mm CVLL entre 50 y 75 mm





55



56/85



Tipo: el tipo de muelle, debe deseleccionarse en funcin de lascondiciones de montaje referentes ala unin a la estructura. Los tipos demuelles de acuerdo al catalogo son:A, B, C, D , E, F, G y H.





56



57/85



Tamao: el tamao del muelle se determina haciendo uso de la tabla Tablasdecarga de trabajo y caractersticas de los soportes de carga variable que seencuentra en la hoja 37 del catalogo de Pihasa.

Al emplear esta tabla, no debe de entrarse nunca en la zona marcada como

margen de seguridad. En la medida de los posible se debe de seleccionar el

muelle entrando en la zona central de la relacin carrera del soporte vs carga.





57



58/85

3.4.6.1 MUELLES CARGA VARIABLE





58



59/85


c) Forma de identificacin del muelle

A la hora de identificar un muelle, se debe de incluir la siguiente informacin:

Modelo

Tamao

Tipo

Desplazamiento de la tubera (mm) Carga de Operacin (Kg)





59



60/85


d) Procedimiento de seleccin del muelle

A continuacin se realiza un ejemplo prctico para indicar, el procedimiento de seleccin deun muelle de carga variable utilizando el catalogo de Pihasa.





Ejemplo 1: seleccionar un muelle para unacarga de operacin de 500 Kg y undesplazamiento de 12mm.

En la imagen se muestra un esquema de laubicacin de la tubera a soportar y su entorno.

60



61/85



1) Seleccin del Tipo de MuelleDe acuerdo al esquema de la imagen, el muelle debe de serseleccionado en funcin de que el soporte permita colgar latubera de la estructura superior.

Para este caso, se puede utilizar tanto el tipo B como el C, ladiferencia entre ellos es la pieza de sujecin superior.

Se selecciona el Tipo C.





61



62/85



2) Seleccin del Modelo

En funcin del desplazamiento de -12 mm y las clasificaciones indicadas en la seccin3.4.4.4 apartado b, se selecciona un modelo CV

3) Seleccin del Tamao

Para la seleccin del tamao se utiliza el dato de la carga de operacin de 500 Kg, elmodelo del muelle CV y la tabla de cargas de trabajo y caractersticas de los soportes decarga variable, del catalogo de Pihasa de la hoja 37.

La seleccin del tamao de un muelle, en muchas ocasiones es un proceso iterativo,debido a que se selecciona un tamao, se calcula la cargas de instalacin y se verifica elporcentaje de variabilidad y si este no se cumple, se debe seleccionar otro tamao ycomenzar nuevamente el proceso.





62


3 FUNDAMENTOS TERICOS


63/85



3) Seleccin del Tamao

Se ubica en la tabla la carga de operacin indicada de 500 Kg, procurando ubicar el valorque se encuentre ms central en la tabla. Una vez ubicado la columna se lee el tamao delmuelle.

De la tabla se observa que los rangos de tamao que permiten cargas de 500 Kg, estncomprendidos entre el tamao 9 y el 12. Los tamaos 9 y el 12 no convendran utilizarlosdebido a que estn muy cercanos a las zonas de seguridad, por los que los eliminamos.

Los muelles tamao 10 y 11, son ambos validos. Siempre que sea posible se selecciona elmuelle ms pequeo, ya que es ms econmico y de menos dimensiones.

Finalmente se selecciona el Tamao 10. En la pgina siguiente se muestra la tabla con laseleccin.





63




64/85





64




65/85



4) Clculo de la Carga de Instalacin (Carga en condicin fra)El clculo de la carga de instalacin se realiza mediante la siguiente ecuacin:

Donde:

CINSTCarga de Instalacin (Kg)CopCarga de Operacin (Kg)

K Constante de Rigidez (Kg/mm)

D Desplazamiento (mm).





65

DKCC OPINST Ecuacin 1




66/85



4) Clculo de la Carga de Instalacin (Carga en condicin fra)La constante de rigidez se obtiene de la tabla utilizada anteriormente, para un muellemodelo CV, tamao 10. El valor es 4.75 Kg/mm, con lo cual calculamos la carga deinstalacin.

NOTA: el desplazamiento siempre se debe de incluir con su signo correspondiente; (+) siel desplazamiento es hacia arriba o (-) si el desplazamiento es hacia abajo.





66

KgCINST 4431275.4500




67/85



5) Verificacin del porcentaje de variabilidadEl porcentaje de variabilidad (%V) se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Utilizando los datos calculados anteriormente:





67

100%

op

INSTop

C

CCV Ecuacin 2

%11100500

443500%

V %25% V El muelle

seleccionadoes Valido




68/85



6) Verificacin de las dimensiones del muelle

Una vez seleccionado el tipo, modelo y tamao de muelle, se verifica que fsicamentepueda ser instalado.

Desde la parte inferior del perfil al centro de la tubera (center line) hay 2400mm y deacuerdo a las tablas dimensionales para un muelle tipo C, modelo CV y tamao 10, elcuerpo del muelle mide 375 mm por lo que quedan un poco ms de 2m, para colocar elarreglo final de varilla y unin a la tubera. Por lo tanto el muelle seleccionado es vlido.

Normalmente, se suele dejar veinte veces el dimetro de la varilla, como longitud de lavarilla antes de la unin a la tubera (en este caso 20x20=400mm). Sin embargo, este esun criterio que se utiliza en algunas compaas de ingeniera y el detalle final de montajesiempre deber de ser validado con el estndar de soportes a utilizar en el proyecto.





68




69/85

3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE

Un muelle de carga constante es un soportevariable que como su nombre lo indica, permitesuspender una carga mediante una reaccin

constante, y que esta tenga cierta libertad demovimiento en la direccin de aplicacin de lacarga.

Esto se consigue con un sistema mecnicobastante simple, basado en juegos de palancas.





69




70/85


Los muelles de carga constante se emplean en sistemas que requieren desplazamientosde magnitud considerable.

El mejor ejemplo es en columnas de reactores de gran altura, donde existe la prohibicin

de transmitir cargas por soportes a las paredes de la columna.

En este tipo de equipos es necesario soportar las tuberas desde estructuras que rodenael equipo. Como el equipo que generalmente es muy caliente dilata, as como las tuberasasociadas y la estructura siempre se encuentra ms fra que el equipo, se requiere desoportes flexibles entre la estructura y el equipo con una gran capacidad dedesplazamientos.

Estos muelles resultan considerablemente ms costosos que los muelles de cargavariable, y su uso es menos frecuente.





70




71/85


A diferencia de los muelles de carga variable, la seleccin del muelle requiere menosdatos, pues no se habla de una carga diferente en operacin que en sostenido. La cargaes la misma al ser el muelle constante.

Pese a que la seleccin es relativamente mas sencilla, los muelles constantes requierende un cuidado mayor por parte del analista a la hora de determinar la carga en la posicinde instalacin.

Para entender esto, tmese como referencia un sistema en el que un equipo o sistema detuberas requiere de una soportacin flexible y que necesariamente requiere mantener lacarga en la posicin e instalacin. Si se emplean muelles variables y por alguna razn se

ha cometido un pequeo error en la carga de tarado del muelle, estimndose menor a lanecesaria, el sistema tender a comprimir el muelle, pero este reaccionarincrementando la carga hasta conseguir el equilibrio.





71




72/85


Si por el contrario se emplease un muelle de carga constante, si llegase a ser la carga detarado menor a la necesaria, el muelle consumira todo su recorrido sin detenersepudiendo deformar producir una deformacin excesiva en el sistema.

Sin embargo, la mayora de los fabricantes de los muelles de carga constante ofrecenproductos con la capacidad de ajustar la carga de tarado hasta en un 20%.

La naturaleza del mecanismo que emplean los muelles constantes, hace que un mismomuelle de un tamao determinado pueda ser configurado para manejar un rango ampliode cargas y desplazamientos. Sin embargo, la carga y el desplazamiento no estndesacoplados, esto es para un mismo tamao de muelle, si se configura para manejar una

carga mxima su recorrido ser mnimo y viceversa, si se configura para manejar unrecorrido mximo su capacidad de carga ser mnima. Vase esto en la tabla siguiente.Por ejemplo, un muelle tamao 1, si se configura para una carrera total de 40mm sercapaz de manejar una carga de 78kg. Pero si se configura para una carrera de 210mmmanejar solo 15kg.





72




73/85


Vase la tabla completa en la hoja 53 del catlogo de PIHASA





73




74/85


Conceptos asociados a los muelles constantes:

Carrera total: Se trata del rango mximo de desplazamiento que fsicamente puede darun muelle.

Carga de trabajo: Es la carga de operacin del muelle, en el caso de los muellesconstantes es nica y tambin se le conoce como carga de tarado.

Posicin de tarado: Es la posicin establecida por el analista como posicin deinstalacin y que corresponde a un punto intermedio del la carrera del muelle.





74




75/85


PROCEDIMIENTO DE SELECCIN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE

En las siguientes lminas se explicar el procedimiento de seleccin y clculo de unmuelle de carga constante, siguiendo las recomendaciones de PIHASA y su catlogo.

1. DETERMINACIN DE LA CARGA , CARRERA REAL Y MODELO REQUERIDO.

El analista de flexibilidad debe determinar la carga de trabajo del muelle requerida en suanlisis de flexibilidad. Del mismo modo debe de calcular LA CARRERA REAL del muelle.El punto de aplicacin de muelle puede variar su posicin respecto a la posicin detarado, dependiendo de los diferentes escenarios de operacin. Un mismo sistema puedepresentar posiciones de operacin por encima o por debajo de la posicin de tarado. Lacarrera real es el rango de desplazamientos entre las posiciones conseguidas enescenarios extremos. Se denotar a este rango de desplazamientos con las letras CR.





75


3 - FUNDAMENTOS TERICOS


76/85



2. CLCULO DE LA CARRERA TOTAL.

La carrera total CT ser el siguiente mltiplo de 10mm al resultado de incrementar en un20% la carrera real CR siempre que esta sea mayor o igual a 125mm, o en 25mm si CRes menor de 125mm.

3. SE DETERMINA EL TAMAO DEL MUELLE.

Mediante las tablas de seleccin (refirase a las hojas 53,54 y 55 del catlogo dePIHASA) se entra en la tabla con la carrera total CT y se ubica la carga inmediata mayor ala carga de tarado determinada por el analista. El muelle seleccionado deber ser taradopor el vendedor como el analista se lo indique. Sobre la carga tarada, se ofrece laposibilidad de ajustar en +/-20%.





76




77/85



4. SE DETERMINA LA POSICIN DE TARADO.

Es quizs el paso que requiere mayor atencin, sobre todo cuando el muelle puede operaren dos direcciones. Se trata de repartir el excedente entre la carrera total CT y la carrerareal CR de manera que las dos direcciones de movimiento tengan un margen detolerancia antes de que se bloquee mecnicamente el muelle.

Frecuentemente se reparte de forma equitativa, pero no es extrao conseguir enespecificaciones de soportes de clientes mecanismos de reparto del excedente diferentes.

Por ejemplo cuando el muelle solo se desplaza en una direccin si se tiene un excedenteCT-CR=20mm, si se reparte equitativamente, se fija la posicin de tarado de manera queel muelle tendra 10mm hacia abajo antes de bloquearse, y una vez alcanzado eldesplazamiento esperado aun le quedaran los otros 10mm para deformarse.





77


78/85




79/85



EJEMPLO: Determinar el tamao y la posicin de instalacin de un muelle constantemodelo C54 PIHASA para gravitar 5673kg, sabiendo que posee dos escenarios de

operacin extremos donde se desplaza de la posicin de instalacin 13mm hacia abajo o110mm hacia arriba.

CARGA: 5673kg

CR= 13mm+110mm=123mm

Como CR es menor a 125mm CT= 123mm+25mm+2mm (para llevar a mltiplo de 10)

CT=150mm





79




80/85



De la hoja 54 del catlogo de PIHASA se ubica en la columna correspondiente a150mm de carrera total la carga inmediata superior a 5673kg y se lee el tamao

correspondiente. Esto es:

Con CT=150mm se consigue 6176kg para tamao 42

Por lo tanto se requiere un muelle PIHASA modelo C54 tamao 42

Respecto a la posicin de tarado, se calcula el excedente CT-CR

CT-CR= 150mm-123mm=27mm

3. FUNDAMENTOS TERICOS




80




81/85




Haciendo un reparto equitativo se reparte el excedente en 13,5mm hacia arriba yhacia abajo. De esta manera la posicin de tarado, medida desde el punto ms bajode la carrera total ser:

13,5mm (tolerancia)+

13,0mm (movimiento descendente)

26.5mm desde el tope inferior de la carrera total





81




82/85




Haciendo un reparto proporcionado seria:ES: Excedente superior

EI: Excedente inferior





82

mmmmmmEI

mmmmmm

mm

mmES

32427

2415.2427123

110:




83/85



La posicin de tarado medida desde el tope inferior de la carrera total ser con estereparto:

3mm+13mm=16mm





83




84/85


[1] ASME B31.3 2010 Process Piping

[2] Berrocal Ortiz, Luis. Resistencia de Materiales. Mc Graw-Hill. Madrid, 1990.

[3] Timoshenko, Stephen and Gere, James. Mechanis of Materials. Cengage Learning. FourthEdition.

[4] MSS-SP-58 Pipe Hangers & Supports

[5] MSS-SP-69 Pipe Hangers and Supports Selection and Application

[6] MSS-SP-77 Pipe Support Contractual Relationships

[7] MSS-SP-89 Pipe Hangers & Supports. Fabrication & Installation

[8] MSS-SP-90 Terminology for Pipe Hangers & Supports

[9] Parisher, R and Rhea, R. Pipe Drafting and Design. Second Edition. Gulf ProfessionalPublishing


84

3.4.7 BIBLIOGRAFA





85/85

[10] Keith, A. Piping and Pipelines. Assessment Guide. Gulf Professional Publishing

[11] www.pipingtech.com

[12] M.W. Kellog Company, 1956. Design of Piping Systems. John Wiley & Sons.


3.4.8 BIBLIOGRAFA

http://www.pipingtech.com/http://www.pipingtech.com/http://www.pipingtech.com/http://www.pipingtech.com/http://www.pipingtech.com/http://www.pipingtech.com/

3.4 elementos basicos de soportacion

Documents