ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción

Diseño Mecánico I

Tema:

SISTEMA MECANICO DE CONTROL PARA UN EMBALSE MEDIANTE UNA COMPUERTA TAINTOR.

Integrantes:

Xavier Sánchez CastroMarcos Sánchez Marcillo Gilson Triana RuizJavier Simbaña Mendieta

Profesor:

Ing. Federico Camacho

Guayaquil – Ecuador

Año 2015

Objetivos

Realizar el diseño de una compuerta radial tipo Taintor para controlar el nivel de agua en un embalse.

Realizar diseño de forma de la compuerta. Aplicar los criterios de diseño aprendidos para seleccionar el material y espesor

de la compuerta, así como las dimensiones de las vigas.

Introducción

Las compuertas son equipos mecánicos con diferentes aplicaciones, las principales son: control de flujos de aguas, control de inundaciones, proyectos de irrigación, crear reservas de agua, sistemas de drenaje, proyectos de aprovechamiento de suelo, plantas de tratamiento de agua, incrementar capacidad de reserva de las represas, etc.

Podemos clasificar las compuertas según su forma, función o movimiento. El que exista esta variedad de compuertas de debe a que su uso depende de la función que desempeñara y del ambiente en el que trabajara, de acuerdo a esto las compuertas dependen principalmente del tamaño y forma del orificio en donde se ubicaran, de la presión hidrostática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura requerido y de otras condiciones particulares de operación.

Los tipos de compuertas más conocidos son:

Compuerta Tipo Anillo Compuerta Tipo Basculante Compuerta Tipo Cilindro Esclusa Lagarto Rodante Radial Tambor Stop log

En este caso para el desarrollo del proyecto se usara una compuerta Taintor que es una compuerta de tipo radial. Una compuerta Taintor es una compuerta pivotante que se utiliza, principalmente, en los aliviaderos y tomas de las presas y en canales abiertos. Las compuertas Taintor empleadas en los aliviaderos permiten elevar la cota del agua embalsada y realizar grandes evacuaciones o regular dicha cota. Las compuertas Taintor empleadas en canales abiertos se suelen emplear como elemento regulador para aportar un caudal determinado de agua o para mantener, aguas arriba o aguas abajo, una determinada cota en el canal.

Formada por tablero mecano-soldado curvo que soporta el empuje hidráulico y lo trasmite radialmente a los empotramientos realizados en el hormigón por medio de brazos articulados. La compuerta vendrá especificada por las dimensiones del hueco a obturar el radio de giro la carga de agua a soportar y la tipología del accionamiento. Con frecuencia se instalan contrapesos en las compuertas para equilibrar parcialmente su peso, lo que reduce todavía más la capacidad del mecanismo elevador.

Ilustración 1: funcionamiento de compuertas radiales en aliviaderos.

La ventaja principal de este tipo de compuertas es que la fuerza para operarlas es pequeña y facilita su operación ya sea manual o automática; lo que las hace muy versátiles.

Ilustración 2: diseño 3D compuerta radial básica.

Para el diseño y comprobación estructural se tienen en cuenta las siguientes normas:DIN 19704 “Hydraulic Steel Structures. Criteria for Design and Calculation”.DIN 19705 “Hydraulic Steel Structures. Recommendation for Design, Construction andErection”

1. Diseño de forma del sistema y de sus componentes.

Ilustración 3: Diseño de forma de la compuerta Taintor. Vista lateral.

Ilustración 4: Diseño de forma de la compuerta Taintor. Vista en perspectiva trasera.

2. Definición de Capacidades de la Compuerta Taintor.

La capacidad de un embalse se mide por el volumen de agua contenido en su vaso de almacenamiento para una altura dada de la presa y de su aliviadero. Para calcular la capacidad se utilizan los planos levantados del vaso de almacenamiento. Para ello, una vez que hayamos fijado el sitio de la presa y la cota del fondo del río, comenzamos por medir con el planímetro las áreas abarcadas por cada una de las curvas de nivel. Luego, si calculamos la semisuma de las áreas entre curvas y las multiplicamos por el intervalo entre las mismas obtenemos el volumen almacenado entre curvas o volumen parcial. Si se acumulan luego los volúmenes parciales, se obtienen el volumen almacenado por cada cota o altura sobre el fondo del río. Las capacidades de los vasos de almacenamiento, se expresan en metros cúbicos (m³), hectómetros cúbicos (Hm³), equivale también esta medida a (106m³), o en hectáreas-metro (Ha*m), equivalente a 10.000 m³.

En un embalse podemos distinguir tres capacidades o volúmenes característicos: el volumen muerto o capacidad de azolves; el volumen útil y la suma de ambos que nos da el volumen total.El volumen de azolves es el volumen que debemos disponer en el vaso para almacenar los sedimentos. Transportadas por el río y que con el tiempo se van depositando en él. El período que tarda en colmarse esta capacidad, constituye la vida útil del embalse y se estima para proyectos pequeños en unos 50 años y para los grandes proyectos para unos 100 años. El volumen útil es el necesario para suplir las demandas y las pérdidas de aguas durante un período determinado de funcionamiento del embalse. Debe ser de tal magnitud que garantice dentro de un periodo hidrológico escogido, el riego de toda el área disponible aprovechable. Cuando se presentan períodos muy secos, no

previstos en el período de estudio, se puede racionar el agua prudentemente alargando así lo más posible, el tiempo de abastecimiento y evitando dejar completamente vacía la capacidad útil del embalse para el año siguiente.En algunos casos cuando se desea combinar el riego con el control de inundaciones, se prevé otro volumen adicional, por encima del volumen útil con el objeto de retener la creciente por un tiempo prudencial, no permitiendo que el aliviadero sobrepase gastos determinados, equivalentes a la capacidad adicional debe siempre quedar disponible para absorber la creciente prevista.

Para este caso la capacidad de retención de agua de la compuerta radial estará dada por sus dimensiones y su resistencia ante las fuerzas hidrostáticas ya que se está diseñando como un problema estático por lo cual no hay fuerzas dinámicas y no se considera un caudal. Estas fuerzas hidrostáticas se distribuyen sobre toda el área de la placa metálica curva de la compuerta, la que a su vez se apoya sobre los brazos y estos sobre el eje del muñón tal y como se muestra en el diseño de forma previamente dibujado. La fuerza hidrostática que actúa sobre la compuerta es proporcional al nivel de agua retenida. Las compuertas radiales tienen la ventaja de que las fuerzas de fricción generadas cuando la puerta se mueve son pequeñas. La forma radial proporciona una transferencia eficiente de la carga hidrostática a través del muñón.

De acuerdo a esto y a las dimensiones dadas de la compuerta, esta se diseñara para soportar una fuerza hidrostática horizontal de 6,52 MN y una fuerza de empuje de 8,59 MN, ambas producidas por un nivel de agua de 11 metros de altura. Esta compuerta no solo estará en la posición de cerrado (como se muestra en el diseño de forma) sino que también contara con un sistema de poleas el cual elevara la compuerta radialmente para poder controlar el flujo de agua que se desea dejar pasar, siendo su nivel máximo de elevación el suficiente para dejar pasar todo el flujo de agua.

3. Definición de Factores de Influencia.

Los factores de influencia son factores que afectan al diseño propuesto, estos factores pueden ser: costos, tamaño, procesos de fabricación, disponibilidad de material, peso, patentes, transporte, parte ambiental, entre otros.En este caso para nuestro diseño los factores de influencia tomados en cuenta serán:

Geográfico.- esta es una de las más importantes para este tipo de diseños, ya que al ser un embalse el diseño de la compuerta dependerá del nivel de agua retenida que se deba manejar. Por este motivo la ubicación y el entorno geográfico de la compuerta son muy trascendental en el diseño de la misma.

Corrosión.- la compuerta actuara normalmente en un embalse el cual controlara el flujo de agua de ríos, por lo cual debemos tener en cuenta la corrosión que experimentara la compuerta al estar actuando en este medio, más un si es un rio de agua salada en donde la salinidad ocupa un papel más trascendental en el nivel de corrosión sobre la compuerta.

Costo.- este es un factor que afecta en todos los proyectos ya que siempre existirá un presupuesto que cumplir, lo cual puede causar limitaciones en el diseño al seleccionar los elementos a utilizar, las dimensiones de estos y el material de cada uno. Peso y Transporte.- esta es importante ya que dependiendo de donde se construya la compuerta puede requerir ser transportada hasta el lugar de instalación donde será ensamblada o puede transportarse ya ensamblada entonces esto está relacionado con la dimensión y peso de la compuerta. El trasporte será más difícil de realizar mientras más pesado o más grande sea la compuerta. Otra opción para resolver este factor es que la construcción se realiza en el lugar de operación del sistema lo que muchas veces no es factible.

Ambiental.- este factor siempre debe ser tomado en cuenta, más para esta aplicación ya que al modificar el flujo de un rio se varia el ecosistema de la zona lo cual puede afectar la vida animal y vegetal de la zona, por este motivo estos tipos de proyecto deben tomar medidas ecológicas y compensación con el medio ambiente para evitar su repercusión en el ecosistema.

Diseño.- este factor nos dice sobre las consideraciones que se deben tener cuando se diseña como por ejemplo la disponibilidad en el mercado local de los elementos que se deseen para el sistema a realizar, por ejemplo en nuestro caso que las vigas tipo T que se utilizaran en la compuerta sean posibles de encontrar, y que haya del material deseado.

Seguridad.- para asegurar la integridad del sistema, este debe ser diseñado basándose en normas dirigidas al diseño que se desea realizarse así como también contar con factor de seguridad adecuado y si el factor costo lo permite, ser conservador.

Mantenimiento.- el diseño debe pensar en el mantenimiento que el mismo requerirá, por lo que se debe pensar en la facilidad para encontrar repuestos, facilidad para realizar reparaciones y trabajos sobre el diseño hecho.

4. Recopilación de Información Técnica para solucionar el requerimiento.

Para el diseño del sistema se tienen en cuenta las siguientes normas:

DIN 19704 “Hydraulic Steel Structures. Criteria for Design and Calculation”.

DIN 19705 “Hydraulic Steel Structures. Recommendation for Design , Construction and Erection

.

Los componentes principales de una compuerta Taintor son los siguientes:

TABLERO: Estructura metálica cilíndrica mecano soldada autorresistente.

ESTANQUEIDAD: EPDM (Etileno-Propileno) fijados al tablero, pudiendo ser dobles en el caso de requerirse que la compuerta sea bidireccional.

MATERIALES Y NORMAS

Partes estructurales:

EN 10025 DIN ASTM

S275JR 1.0044 A570 Gr40

Aceros inoxidables

EN 10088 DIN AISI

X2CrNi18-9 1.4307 304L

X2CrNiMo17 1.4404 316L

DUPLEX 2205 1.4462 A240

SISTEMAS DE PROTECCION ANTICORROSIVA

Estructuras de acero en inmersión de agua permanente

Granallado SA 2 ½ 50 micras imprimación rica en zinc 300 micras pintura bituminosa de combinación de resina epoxy alquitrán

Estructuras de acero al aire:

Granallado SA 2 1/2 50 micras imprimación rica en zinc 100 micras Cloro caucho alcídico azul RAL 501

El tratamiento estándar de fabricación de las piezas en acero al carbono que componen el sistema

En inmersión permanente o intermitente:

Limpieza superficial median chorreo al grado SA 2 ½ según la norma SIS 055900 ó ISO 8501-1:2007.

Una capa de imprimación epoxi rica en cinc con un espesor de película s cada 50 micras.

Dos capas de alquitrán epoxi (negro), con un espesor de película seca de 150 micras por capa (en caso de ser autoimprimante, no requerirá la capa anterior).

Expuestas a la atmósfera:

Limpieza superficial median chorreo al grado SA 2 ½ según la norma SIS 055900 ó ISO 8501-1:2007.

Una capa de imprimación rica en cinc con un espesor de película seca de 50 micras.

Dos capas de clorocaucho (color a elegir), con un espesor de película seca de 60 micras por capa.

Las piezas realizadas en acero inoxidable, latón o bronce no requerirán tratamiento de protección superficial contra la corrosión.

Uniones soldadas

En general, los procedimientos de soldadura y requerimientos están sujetos a los códigos ASME sección vii-DIV 2; ANSI-AWS A5-18-93, AWS D 1.1 Y AWS A2.4. Las soldaduras deberán cumplir la siguiente tabla:

Tratamientos de superficies y pintado

Los daños de la corrosión ocurrirán en un cierto plazo y pueden deteriorar seriamente la capacidad estructural y operacional de la compuerta.

Las compuertas son vulnerables a la corrosión, por grietas, por picaduras atmosféricas y mecánica.

Recubrimiento de pintura epóxico azul según la norma AWWA C-550.

Combinación posible de materiales

Tablero S275 JR

Brazos S275 JR

Cilindro hidráulico Acero con vástago en AISI 420

Eje rotula AISI 431

Partes fijas inferiores S275 JR

Asiento inferior AISI 304

Junta Inferior EPDM

Partes fijas laterales S275 JR

Asiento lateral AISI 304

Junta lateral EPDM

5. Diseño de Forma Detallado del Sistema de Compuerta Taintor.

Una vez revisada la información técnica necesaria y según los parámetros dados en clases, se definieron las dimensiones de la compuerta de forma general así como también el material y forma de cada elemento. Para poder definir de forma correcta las dimensiones considerando los espesores se debe hacer el cálculo de esfuerzos y aplicar las teorías de fallas correspondientes, proceso que se realizara más adelante en el documento.

Materiales de fabricación

Los materiales de construcción usados habitualmente bajo esta norma son los siguientes:

Tablero: Acero A36 con protección para la corrosión (Pintura).

Brazos: Acero A36 con protección para la corrosión (Pintura).

Eje: Acero A36 con protección para la corrosión (Pintura) y auto lubricación.

Bocín: Bronce fosfórico.

Vigas utilizadas

Para el diseño de esta compuerta se utilizan dos tipos de vigas. El primer tipo de viga es usada en la compuerta de forma vertical para darle rigidez y soporte, estas son vigas tipo T. El segundo tipo de viga es usada de forma horizontal en la compuerta para servir de apoyo a los brazos y también se utilizan para formar los brazos, estas son vigas tipo I.

6. Determinación de las fuerzas sobre el sistema mecánico.

B

A

R

11m

9.84m1

11.75m

DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LA COMPUERTA TAINTOR

Calculo Fuerza Horizontal

Fh=Pprom A

Fh=ρghc A

Fh=(1000)(9.81)(5.5)(11×11)

Fh=6.52×106 N

Calculo Fuerza Vertical

F v=Pprom A−W

Pprom A= ρghc A

Pprom A=1000 (9.81)(11)(9.841)

Pprom A=11.68×106 N

W=mg

W=ρgV

W=1000(9.81)(28.553)(11)

W=3.08×106 N

F v=Pprom A−W

A

R

Fh

F vF s

R x

RY

B

F v=(11.68−3.08 )×106

F v=8.598×106N

Sumatoria de Fuerzas Verticales

∑ F y=0

R y+Fv=0

R y=−8.59×106 N

Sumatoria de Fuerzas Horizontales

∑ F x=0

R x+Fh−R s=0

R x=(−0.88+6.82 )×106

R x=−5.64×106N

Sumatoria de Momentos

∑M r=0

R s (11.75 )+F v (4.921 )−Fh(11.75−3.67)=0

R s (11.75 )=−(8.59×106) (4.921 )−(6.52×106)(11.75−3.67)

R s=0.88×106 N

Referencias

EMBALSES. Sitio Web: http://www.monografias.com/trabajos15/embalses/embalses.shtml. Fecha de Consulta: 03/07/15

PDF: Ficha Técnica Compuerta Taintor. INAGEN, INGENIERIA DEL AGUA Y LA ENERGIA. Fecha de Consulta: 03/07/2015

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

En la siguiente tabla se presenta las actividades detalladas que se realizaron para el proyecto:

FECHA ACTIVIDAD TIEMPO EMPLEADO

29/06/2015 Investigación sobre el tema

3 horas

03/07/2015 Reunión para plantear el problema

y formularlo.

2 horas

06/07/2015 Bosquejo del Diseño de Forma

2 horas

08/07/2015 Realización del Diseño del Sistema y

sus Componentes

5 horas

09/07/2015 Definición de Capacidades de la

Compuerta

2 horas

10/07/2015 Factores de Influencia

3 horas

11/07/2015 Recopilación de Información Técnica

4 horas

12/07/2015 Cálculos de la Compuerta

2 horas

14/07/2015 Diseño de Forma Detallado del Sistema

Compuerta Taintor

3 horas

15/07/2015 Determinación de las Fuerzas sobre el

Sistema Mecánico

4 horas

Integrantes:

Xavier Israel Sánchez Castro Aporte 25%

Marcos Sánchez Marcillo Aporte 25%

Gilson Triana Ruiz Aporte 25%

Javier Simbaña Mendieta Aporte 25%