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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y CIENCIAS DE LA

PRODUCCION

DISEO MECANICO 1

PROYECTO PARCIAL

DISEO DEL SISTEMA MECANICO PARA UN EMBALSE MEDIANTE

UNA COMPUERTA TAINTOR.

Nombre:

Juan Carlos Yencn Velasco

Luis Daniel Zambrano Palma

Richard Jairo Villn Barona

Giovanny Andrs Villao Alejandro

Profesor:

Ing. Federico Camacho Brausendorff

Fecha:

16-Julio-2015

I Termino 2015-2016

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TABLA DE CONTENIDO

1. RESUMEN .................................................................................................................................... 3

2. INTRODUCCION .......................................................................................................................... 3

3. OBJETIVOS ................................................................................................................................. 10

4. DISEO DE FORMA DEL SISTEMA Y SUS COMPONENTES ....................................................... 10

5. DEFINICIN DE CAPACIDADES DE LA COMPUERTA TAINTOR ................................................. 13

6. DISEO DE FORMA DETALLADO DE COMPUERTA TAINTOR ................................................... 15

7. SISTEMA DE APERTURA DE LA COMPUERTA ........................................................................... 24

8. DETERMINACIN DE LAS FUERZAS SOBRE EL SISTEMA MECNICO. ...................................... 26

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1. RESUMEN Este proyecto forma parte del curso de Diseo Mecnico 1 con el cual se busca aplicar los

conocimientos obtenidos a lo largo del curso.

El proyecto consiste en el diseo de un sistema mecnico para un embalse de agua de 12 m

de altura, mediante una compuerta radial, tambin conocida como Taintor, para poder

controlar y regular el pasaje de agua a travs de un canal. Se parte del diseo de forma del

sistema, luego se contemplaran diferentes mbitos como la definicin de las capacidades

de la compuerta, tambin se analizar los factores de influencia, como podran ser las

caractersticas tcnicas del diseo, el entorno en el cual se desempeara el sistema, etc.

Finalmente se analizar toda la informacin tcnica obtenida para la seleccin de la solucin

del problema analizado, llevndonos hacia un diseo de forma ms detallado.

Para los diferentes elementos del Sistema Mecnico se requiere que se emplee criterios de

diseo y/o seleccin, especificacin tcnica de materiales utilizados, adems de las normas

que rijan los diferentes mbitos del diseo.

Para este proyecto se parti de un diseo de

un sistema mecnico para almacenar agua

cruda en un embalse de 12m de altitud;

haciendo los cambios respectivos, tanto de

material como del dimensionamiento del

mismo, se obtuvo el siguiente anlisis y

solucin al requerimiento.

2. INTRODUCCION Todos los proyectos de recursos hdricos

tienen como fin un depsito o la desviacin del agua para el control de las inundaciones,

para almacenar agua para el riego o la generacin de energa, abastecimiento de agua para

uso domstico o industrial. Las liberaciones de agua tambin pueden ser llevadas a cabo

por los dispositivos de control previstos en los conductos en el cuerpo de la presa y los

tneles. Con el fin de lograr el control de flujo, una puerta o una obturacin en el que se

proporciona una hoja o un elemento de cierre se colocan a travs de la va acutica desde

una posicin externa para controlar el flujo de agua. El control de flujo en tuberas cerradas,

tales como tubera de carga de transporte de agua para energa hidroelctrica tambin se

hace por medio de vlvulas, que son diferentes de las puertas en el sentido de que se renan

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con el equipo de conduccin, mientras que las puertas requieren una unidad independiente

o equipos de elevacin.

Los diferentes tipos de puertas y elevadores hidrulicos, trabajando en diferentes principios

y mecanismos se utilizan para la liberacin controlada de agua a travs de vertederos,

compuertas, tomas de aire, reguladores, conductos, tneles, etc. Un diseador tiene que

planear una puerta y la disposicin de elevacin juntos. Aunque la eleccin de las puertas y

elevadores depende de varios factores, principalmente la seguridad, facilidad de operacin,

as como el mantenimiento y la economa son los requisitos que rigen en el mismo orden.

Es esencial para el ingeniero ser consciente de los diferentes factores que afectan en gran

medida la eleccin de las puertas y elevadores y ayudara en la seleccin de los mismos.

2.1. Criterios de seleccin de una Compuerta

El departamento de estndar de India en su cdigo 13623: 1993 "Criterios para la eleccin

de las puertas y montacargas" proporciona la clasificacin bsica de las puertas, que se

podr hacer de acuerdo a los siguientes criterios:

1. Ubicacin de la puerta con respecto a la superficie depsito de agua

2. Material utilizado en la fabricacin

3. Modo de funcionamiento

4. Forma de la puerta

5. Descarga a travs de la puerta

6. Tipo de paso del flujo con el que conectarse y su ubicacin

7. Ubicacin del sello

8. Ubicacin de la placa

9. Caractersticas de cierre

10. Impulso para operar

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2.2. Clasificacin de las Compuertas

Una Compuerta es una placa mvil, plana o curva, que al levantarse, forma un orificio entre

su borde inferior y la estructura hidrulica (presa, canal, etc.) sobre la cual se instala

(figura1), y se utiliza en la mayora de los casos para la regulacin de caudales, y como

emergencia y cierre para mantenimiento en los otros.

Las compuertas tienen las propiedades hidrulicas de los orificios y, cuando estn bien

calibradas, tambin pueden emplearse como medidores de flujo.

Las condiciones fsicas, hidrulicas, climticas y de operacin, evaluadas apropiadamente,

imponen la seleccin del tipo y tamao adecuado de las compuertas. stas se disean de

diferentes tipos y con variadas caractersticas en su operacin y en su mecanismo de izado,

los cuales permiten clasificarlas en grupos generales de la siguiente manera:

a. Segn las condiciones del flujo aguas abajo:

Compuerta con descarga libre.

Compuerta con descarga sumergida o ahogada.

Figura 2: Ejemplo de Compuerta Taintor

Figura 3: Tipo de compuertas segn las condiciones de flujo

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b. Segn el tipo de operacin o funcionamiento:

Compuertas Principales: Se disean para operar bajo cualquier condicin de flujo; se les

llama de regulacin cuando se les conciben para controlar caudales en un canal abierto o

sobre una estructura de presa, con aberturas parciales, y se conocen como compuertas de

guarda o de cierre aquellas que funcionan completamente abiertas o cerradas.

Compuertas de emergencia: Se utilizan en los eventos de reparacin, inspeccin y

mantenimiento de las compuertas principales, siendo concebidas para funcionar

tanto en condiciones de presin diferencial, en conductos a presin, como en

condiciones de presin equilibrada.

c. De acuerdo a sus caractersticas geomtricas:

Compuertas planas: 1. Rectangulares 2. Cuadradas 3. Circulares 4. Triangulares, etc.

Compuertas curvas o alabeadas:

Radiales: Tambin llamadas compuertas Taintor, tienen la forma de una porcin de cilindro,

y giran alrededor de un pivote o eje horizontal situado en el eje longitudinal de la superficie

cilndrica. Por su forma algunas veces se les llama compuerta Sector.

Generalmente, en las compuertas radiales el agua acta en el lado convexo y, debido a las

propiedades hidrostticas de una superficie cilndrica, la lnea de accin del empuje

hidrosttico resultante pasa a travs del pivote o centro de giro. En consecuencia, la fuerza

requerida para levantar la compuerta es la necesaria para vencer el peso propio de la misma

y la friccin en los apoyos.

Este tipo de compuerta se usa en vertederos de presa, en obras de captacin y en canales

de riego.

Tambor: Consisten en una estructura hermtica de acero, abisagrada en la cresta de rebose

de un vertedero de presa, y con una forma tal que, cuando est en su posicin ms baja,

ocupa un recinto dentro de la estructura de la presa, sin interrumpir el perfil de dicha cresta.

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Si el lquido penetra a dicho recinto, la compuerta se levanta por encima de la cresta, debido

al empuje de flotacin, evitando el paso de la corriente.

Este mecanismo de operacin constituye cierta

ventaja sobre los otros tipos de compuerta, puesto

que no requiere de superestructuras que incluyan

gras, cables, ni volantes, para su manejo.

Cilndricas: Consisten en un cilindro de acero que se

extiende entre los estribos de un vertedero de presa, en los cuales est adosada una

cremallera dentada e inclinada, o de una torre cilndrica de captacin de un embalse.

La compuerta se iza rodando hacia arriba, permitiendo el engranaje entre los dientes y las

cremalleras en los extremos. En virtud de la gran resistencia de una estructura cilndrica

(con apropiados esfuerzos interiores), este tipo de compuerta se usa econmicamente

sobre grandes luces en proyectos especiales. Generalmente, se le coloca un borde

longitudinal de acero en un punto apropiado de su periferia, para que forme un sello con la

cresta del vertedero, cuando la compuerta est en la posicin ms baja.

d. Segn el mecanismo de izado:

- Compuertas deslizantes: El elemento de cierre u obturacin se mueve sobre

superficies deslizantes (guas o rieles) que sirven, a la vez, de apoyo y sello. Generalmente,

se construyen en acero colado, y se emplean en estructuras de canales y en algunas obras

de captacin, en presas o tanques de regulacin. La hoja de la compuerta o elemento de

obturacin se acciona con un mecanismo elevador, a travs de un vstago o flecha de acero.

- Compuertas rodantes: El elemento de cierre u obturacin se mueve sobre un tren de

ruedas, rodillos o de engranajes, hasta la posicin de estanca. Se utilizan en obras de toma

profunda, para casos de emergencia y de servicio, as como para cierre en mantenimiento,

en conductos a presin. Ruedan a su posicin de sello debido a su propio peso y se izan con

cadenas o cables por medio de gras especiales, fuera de la superficie del agua, hasta una

caseta de operacin, donde se les hace mantenimiento.

Con el fin de lograr el control de flujo, una puerta o una obturacin en el que se proporciona

una hoja o un elemento de cierre se colocan a travs de la va acutica desde una posicin

externa para controlar el flujo de agua. El control de flujo en tuberas cerradas, tales como

Figura 4: Compuerta Tipo Tambor

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tubera de carga de transporte de agua para energa hidroelctrica tambin se hace por

medio de vlvulas, que son diferentes de las puertas en el sentido de que se renan con el

equipo de conduccin, mientras que las puertas requieren una unidad independiente o

equipos de elevacin.

2.3. Terminologa asociada al proyecto

Algunas de las terminologas importantes asociados con las puertas se indican a

continuacin, lo que ayudara a comprender el funcionamiento de las puertas ms de cerca.

Anclaje: Incrustado miembro estructural, la transferencia de carga de puerta a su estructura

que lo rodea.

Bloqueo: Un receso temporal o apertura a la izquierda en la estructura circundante de una

puerta para la instalacin de las piezas incrustadas de una puerta.

Bloques de empuje: Un miembro estructural previsto en una hoja de transferencia de carga

de agua de la puerta con una placa de apoyo. Tambin podra ser un elemento de la

estructura diseada para la transferencia al muelle o el pilar de ese componente de empuje

del agua sobre una compuerta radial, que es normal a la direccin.

Borde: El segmento ms inferior de una puerta que es una forma adecuada de la

consideracin hidrulica.

Contra peso: Un peso utilizado para oponerse al peso muerto de una puerta a fin de reducir

la capacidad de elevacin. Un contador de peso tambin puede ser utilizado para hacer

"cierre automtico" de la puerta.

Eje de la articulacin: El eje alrededor del cual gira una compuerta radial.

Elevacin Hidrulica: La fuerza neta que acta sobre una puerta en la direccin vertical

hacia arriba en condiciones hidrodinmicas.

Elevador de la puerta: El recorrido vertical mximo de una puerta por encima del umbral

de la puerta.

Ganchos de elevacin: Son miembros estructurales situados en la puerta para facilitar el manejo de la puerta durante el montaje, instalacin u operacin.

Gua de rodillos: Son los rodillos en los lados de una puerta para restringir su lateral y / o

transversal movimiento.

Gua de zapatas: Es un dispositivo montado en una puerta para restringir su movimiento

en una direccin normal al empuje del agua.

Gua: Es la parte de un marco de puerta que restringe el movimiento de una puerta en la

direccin normal al empuje del agua.

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Hidrulico down-pull: Atraccin de la fuerza neta que acta sobre una puerta en la

direccin vertical hacia abajo en condiciones hidrodinmicas.

Hoja: El cuerpo principal de una puerta que consiste en la placa de la piel, refuerzos, vigas

horizontales y vigas de final.

La vlvula de llenado: Es una vlvula fija en una puerta para crear condiciones de equilibrio

la cabeza del agua para la operacin de la puerta.

Liner: Es un revestimiento de acero en general, siempre en la ranura de la puerta y sus

alrededores para una instalacin de la cabeza medio o alto.

Marco de la puerta: Empotramiento incorporado un elemento de la estructura incrustada

en la estructura que rodea el apoyo de una puerta, que es necesario para habilitar la puerta

para realizar la funcin deseada.

Marco: Un elemento de la estructura incrustada en la estructura que rodea el apoyo de una

puerta, que es necesario para habilitar la puerta para realizar la funcin deseada.

Percha: Un dispositivo destinado a la suspensin o el apoyo a una puerta en la posicin

abierta cuando se desconecta de su mecanismo de elevacin.

Pin de articulacin: Un eje horizontal sobre el que gira el eje de la articulacin.

Placa membrana: Una membrana que transfiere la carga de agua en una puerta a los otros

componentes.

Puerta de la ranura o slot puerta: Una ranura o slot es un receso previsto en la estructura

circundante en que se mueve la puerta descansa o asientos.

Respiradero: Es un conducto de ventilacin de tamao adecuado, siempre en el ro abajo

de la puerta de ventilacin / admisin de aire durante el llenado / vaciado de un conducto

o para entregar un suministro continuo de aire para el flujo de agua de una puerta. Sello (parte inferior, lateral y superior): Un sello es un dispositivo para prevenir la fuga de agua en la periferia de una puerta. Un sello de fondo es el que se proporciona en la parte

inferior de la puerta. Los sellos secundarios son los que se fijan a los extremos verticales de

la hoja de la puerta. Un sello superior es el que se proporciona en la parte superior de una

hoja de la puerta o el marco de la puerta.

Soporte de la placa: Es una placa metlica fija a la superficie del marco para la

transferencia de agua a presin desde el marco de la puerta.

Tirante de la articulacin: Un miembro de la tensin estructural que conecta dos montajes

del mun de una compuerta radial para hacer frente al efecto de la fuerza lateral

(perpendicular a la direccin del flujo)

Trayectoria de la Placa: Un elemento de la estructura en la que las ruedas de un movimiento de la puerta.

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Umbral: Esta es la parte superior de un miembro estructural incrustado en los que descansa la puerta cuando est cerrada. Viga de Elevacin: La viga (con un mecanismo de sujecin) suspendido de una gra de prtico o un elevador de viaje y se desplaza verticalmente en una ranura de la puerta para

la elevacin de una puerta o una ventanilla de registro.

Vigas Horizontal y vertical: Las vigas horizontales son los principales miembros estructurales de una puerta, que se extiende horizontalmente a la transferencia de la

presin del agua de la placa de la piel y los refuerzos verticales (en su caso) a las vigas final

o al final los brazos de la puerta. Las vigas verticales (tambin llamados refuerzos verticales)

son los elementos estructurales que abarca verticalmente a travs de vigas horizontales de

apoyo a la placa de la piel.

3. OBJETIVOS

Recopilacin de Informacin Tcnica para solucionar el requerimiento.

Diseo de Forma Detallado de la compuerta especifica.

Determinar las fuerzas estticas que se aplican en una compuerta radial.

Calcular la fuerza necesaria para abrir la compuerta.

Especificar el tipo de material y las caractersticas de la compuerta.

4. DISEO DE FORMA DEL SISTEMA Y SUS COMPONENTES Nuestro diseo de compuerta consiste en

Una hoja curva,

Sellos de goma,

Brazos de soporte

La hoja de la puerta es de una construccin soldada que varan en anchura y la altura segn

sea necesario dependiendo del tamao de la abertura. Los asientos incorporados de roce

se montan al ras de la pared para proporcionar una superficie lisa y plana para el sello para

estar en contacto con el piso; y deslice, a medida que la puerta se abre y se cierra. La presin

del agua aplicada en contra de la hoja curva se transmite a travs de los brazos de soporte

en el eje integrado en el muro de hormign. Dado que la hoja se curva, la presin del agua

tambin se aplica una presin al alza bajar la cantidad de elevacin requerida. Por lo tanto,

se utiliza una gra ms pequea en comparacin con otros tipos de puertas.

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La compuerta radial es uno de los tipos mviles de presas, el agua fluye bajo una puerta

placa. El vertedero se ajusta a las paredes laterales del canal. Cuenta con un la placa base

fuerte, la puerta se puede mover en torno a un punto de apoyo fijo en el la placa base. La

puerta es de seccin circular y, junto con las barras de gua, tiene una barra ms con que la

puerta se activa, tambin puede ser bloqueado en varias posiciones.

Esquema

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4.1. Ventajas y desventajas de Compuertas tipo Taintor vs Otros tipos de compuertas

Ventajas: Las compuertas radiales tienen varias ventajas nicas en comparacin con otros

tipos de aliviadero de la puerta (puertas de ascensor, de rodillos puertas, bisagras o puertas

de la aleta).

La forma radial proporciona una transferencia eficiente de la carga hidrosttica a

travs del mun.

Una menor capacidad de elevacin es necesario.

La puerta tipo Mancilla tiene una velocidad de funcionamiento relativamente rpido

y se puede funcionar de manera eficiente.

Los sellos secundarios se utilizan, por lo que las ranuras de la puerta no son

necesarios. Esto reduce los problemas asociados a la cavitacin,

de recogida de residuos, y la acumulacin de hielo.

La geometra de la puerta Tipo Mancilla ofrece caractersticas favorables de

descarga hidrulica.

Desventajas son las siguientes:

Para dar cabida a la ubicacin del mun, el muelle y la fundacin ser

probablemente ms tiempo en el intermedio del que sera necesario para

compuertas verticales. La disposicin de elevacin puede resultar en altos muelles

especialmente cuando un cable del sistema de elevacin se utiliza. Ampliar aumento

de costos debido a los muelles de concreto ms requerido y por lo general se

traducir en

una resistencia ssmica menos favorable debido a la mayor altura y la masa.

Los miembros finales del marco puede invadir el paso de agua. Esto es ms crtico

con marcos de extremo inclinado.

Los brazos largos del puntal son a menudo necesarios cuando los niveles de

inundacin son altos para permitir que la compuerta abierta para despejar el perfil

de la superficie del agua.

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5. DEFINICIN DE CAPACIDADES DE LA COMPUERTA TAINTOR Calculo de Caudal Para este anlisis del Gasto msico de del cuerpo de agua del embalse se realiz calculando

el coeficiente de descarga propuesta por Cozzo y modificada, recomendada en el

Documento de Modelacin Matemtica de la Operacin de la Estructura de Control del Rio

Carrizal de la UNAM. Mxico.

Cd =0.46 + 0.54e0.8

1 +wy (0.6 0.2)

[1 0.43w

R]

Donde:

: Angulo en radianes.

w: Apertura de la compuerta en metros.

y: Nivel de altura del cuerpo de agua en metros.

R: Radio de la compuerta radial en metros (1.24H).

El ngulo lo obtenemos de la siguiente manera:

= cos1 (h w

R)

Donde: : Angulo en radianes.

w: Apertura de la compuerta en metros.

h: Altura del Mun con respecto a la base de la compuerta, en metros.

R: Radio de la compuerta radial en metros (1.24H).

Finalmente procedemos a calcular el caudal en funcin de la apertura de la compuerta con

la siguiente ecuacin emprica propuesta en el mismo documento:

Q = Cdbw2gy

Donde:

Cd: Coeficiente de descarga.

w: Apertura de la compuerta en metros.

b: Ancho de la compuerta radial, en metros.

y: Nivel de altura del cuerpo de agua en metros.

g: Constante gravitacional 9.81 m/s^2.

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A continuacin, se presenta la tabla de los clculos de Caudal para cada apertura de 0.25

metros, considerando:

h: 8 metros.

w: Tomo valores 0:0.25:12 metros

R: 1.25H = 15 metros.

y: Altura mxima del cuerpo de agua (12 metros).

b: 12 metros.

Tabla 1. En esta tabla se muestran los clculos de caudal realizados para cada apertura de 0.25 de

la compuerta radial, se observa cambio mayor en el caudal para los primeros valores de apertura

de la compuerta y una menor variacin en el caudal al llegar a aperturas de la compuerta cercanas

a la mxima apertura.

Apertura [m] [rad] Cd Q [m^3/s] Apertura [m] [rad] Cd Q [m^3/s]

0.25 1.03 0.69 31.61 6.25 1.45 0.44 511.55

0.50 1.05 0.67 61.94 6.50 1.47 0.44 523.40

0.75 1.07 0.66 91.05 6.75 1.49 0.43 534.78

1.00 1.09 0.65 119.01 7.00 1.50 0.42 545.70

1.25 1.10 0.63 145.86 7.25 1.52 0.42 556.19

1.50 1.12 0.62 171.67 7.50 1.54 0.41 566.26

1.75 1.14 0.61 196.47 7.75 1.55 0.40 575.91

2.00 1.16 0.60 220.32 8.00 1.57 0.40 585.16

2.25 1.18 0.59 243.25 8.25 1.59 0.39 594.02

2.50 1.20 0.58 265.31 8.50 1.60 0.38 602.51

2.75 1.21 0.57 286.52 8.75 1.62 0.38 610.63

3.00 1.23 0.56 306.93 9.00 1.64 0.37 618.39

3.25 1.25 0.55 326.57 9.25 1.65 0.37 625.81

3.50 1.27 0.54 345.47 9.50 1.67 0.36 632.89

3.75 1.28 0.53 363.65 9.75 1.69 0.36 639.64

4.00 1.30 0.52 381.14 10.00 1.70 0.35 646.07

4.25 1.32 0.51 397.98 10.25 1.72 0.35 652.20

4.50 1.34 0.50 414.18 10.50 1.74 0.34 658.01

4.75 1.35 0.49 429.76 10.75 1.76 0.34 663.54

5.00 1.37 0.48 444.76 11.00 1.77 0.33 668.77

5.25 1.39 0.48 459.18 11.25 1.79 0.33 673.73

5.50 1.40 0.47 473.06 11.50 1.81 0.32 678.41

5.75 1.42 0.46 486.40 11.75 1.82 0.32 682.82

6.00 1.44 0.45 499.22 12.00 1.84 0.31 686.97

Gasto Msico de Descarga de Agua en Funcion de la Apertura de la Compuerta

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En el grafico podemos observar que la pendiente de la curva disminuye al aumentar la apertura de

la compuerta y el comportamiento de la grfica se asemeja a una funcin logartmica desplazada a

la izquierda.

6. DISEO DE FORMA DETALLADO DE COMPUERTA TAINTOR

Las compuertas taintor son conpuertas de regulacion de flujo y son de tipo radial y son

frecuentemente usadas para el control de cuerpos de agua en embalses, esta puerta tiene

forma de una porcion de cilindro y gira alrededor de un pivote situado en el eje longitudinal

de la superficie cilindrica, el agua actua en el lado convexo de la puerta, gracias a esto la

linea de accion de empuje hidrostatico resultante pasa atravez del pivote, esto se debe a

las propiedades hidrostaticas de las superficies cilindricas.

La compuerta taintor consta de las siguientes partes principales:

Pantalla (Placa Delgada, Costillas, Vigas Laterales, Selladores de Neopreno).

Brazos Soportes y brazos de refuerzos.

Muon.

Sistema de Apertura de la Compuerta.

La pantalla es el elemento mecanico que interactua directamente con el agua y soporta las

cargas hidrostaticas, trabaja del lado convexo y es reforzada con vigas en forma de T

llamadas costillas que ayudan a rigidizar la estructura, tambien se refuerza la pantalla con

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 2 4 6 8 10 12 14

Cau

dal

[m

^3

/s]

Apertura de Compuerta [m]

Caudal [m^3/s] vs Apertura de Compuerta [m]

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vigas laterales ms robustas que tambin sirven para anclar la pantalla a los brazos

soportes. Al no poseer guias se evita la cavitacion en los bordes de la compuerta y en estos

bordes (Laterales y base) se ubican selladores de neopreno de forma musical J .

Los brazos soporte son vigas estructurales que transmiten las cargas hidrosestaticas

soportadas por la pantalla hacia el muon, estos brazos soportes permiten al sistema de la

compuerta mantener su forma geometrica, para esto son reforzados con brazos de

refuerzo. Los brazos estan diseados a un radio de 1.25 H (H: altura), y se refuerzan con un

eje tranversal entre los brazos que los ridigiza y evita la deformacion de la estructura.

El muon es un elemtno cilindrico mendientge el cual se ancla la el sistema de la compuerta

al embalse y es la que resiste todos los esfuerzos provocados en el sistema mecanico, se y

se disea en base a la resistencia de todos estos esfuerzos, debido a su importancia y

dificultad de mantenimiento se disean con material anticorrosivo y ademas

autolubricante.

El sistema de apertura de la compuerta es de suma importancia debido a que este

mecanismo permite la apertura de la compuerta y por lo tanto la regulacion del caudal,

gracias al diseo de las compuertas radiales el mecanismo de apertura solo soporta cargas

provocadas por el peso de la compuerta, los elementos tradicionalmente utilizados para la

elevacion de la compuerta suelen ser mecanismos con cables de acero y mecanismos de

cadenas, actualmente se usan sistemas de cilindros hidraulicos. Para los mecanismos de

cables y cadenas es importante la interaccion de del elemento de tension como de la

pantalla, ya que esta inteaccion provoca esfuerzos adicionales sobre la pantalla. Es

recomendado una bbuena ubicacin del motor de levantamiento de sistema para evitar

futuros problemas.

Consideraciones Generales de Diseo La compuerta ser diseada en base a normas estndares, para nuestro diseo, nos

basamos en la norma CWGS 05913 de la US Army Corps of Engineers con documento

nmero COE EM 1110-2-2702 denominado DESIGN OF SPILLWAY TAINTER GATES.

Debido a las condiciones del diseo, existen piezas soldadas gruesas y delgadas, las placas

gruesas son susceptibles al agrietamiento en comparacin con respecto a las delgadas;

debido a las tensiones residuales que se generan debemos poner especial nfasis en los

procedimientos de soldadura, para esto se seguirn las normas ANSI/AWS seccin D1.1.

Para la unin brida-viga-costillas se seguirn la norma AISC seccin J2.2.

Para la seccin del mun, incluyen piezas soldadas con placas gruesas, estas estn

sometidas a grandes tensiones a travs de su espesor, para esto se debe seguir la norma

ASTM A 770/ A 770, la cual, segn procedimiento del manual se debe verificar la resistencia

al desgarro laminar mediante pruebas de conformidad de la norma antes mencionada. En

las placas del centro del mun las soldaduras sern examinadas segn norma ASTM A435,

debido a las secciones crticas. La norma indica que estas secciones sern examinadas

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mediante inspeccin ultrasnica (UT) o inspeccin radiogrfica (R). Las soldaduras en los

filetes tambin crticas sern examinadas mediante inspecciones penetrantes (PT) o

inspeccin de partculas magnticas (MT).

En la seccin de las bridas, existen intersecciones o empalmes donde se debe seguir en

cumplimiento de la norma ANSI/AWS D1.1 seccin 5.17, debido a su tamao.

6.1. Pantalla de la Compuerta

La pantalla de la compuerta es el elemento del sistema que estar en contacto directo con

las cargas hidrostticas, su diseo es de una placa delgada de acero ASTM A36 o ASTM

A572 y su espesor va desde 1 cm hasta 2 cm como mximo para casos extremos, la pantalla

es reforzada con vigas T conocidas como costillas las cuales basados en la norma EM

1110-2-2702 deben ser colocadas uniformemente en la pantalla para reforzar el sistema.

Por lo general no se sobre pasa el espesor de la pantalla de 2 cm y si es necesario un espesor

mayor se castiga el diseo agregando ms costillas a la pantalla. Vigas horizontales

sostienen la pantalla, estas tambin actan como costillas y con ellas se busca reforzar y

economizar el diseo, se recomienda usar acero ASTM A36, estas vigas permiten el acople

de la pantalla con los brazos.

Imagen 1. Pantalla de Compuerta Radial Taintor.

Pantalla Costillas

Viga Horizontal

18

En la Pantalla nos basamos en el manual EM 1110-2-2702 el anlisis de las cargas en la

pantalla se puede aproximar a un modelo bidimensional (2D), para esto se asume q la

pantalla no tiene curvatura y por cada unidad de espesor se considera como una viga

continua (ubicando las costillas horizontalmente), tambin se asume como una viga

simplemente apoyada en las vigas horizontales. De esta manera se puede obtener el

espesor de la pantalla.

Imagen 2. Modelacin de compuerta Taintor idealizando cero curvaturas de la compuerta y

costillas de forma horizontal para analizar las deformaciones debido a la Fuerza Hidrosttica.

Imagen 3. Representacin de la pantalla modelada como una viga continua y simplemente apoyada

en las vigas horizontales.

Pantalla

Costillas

19

Costillas Este elemento de refuerzo es de Acero ASTM A36. Para analizar el diseo de las costillas se

recomienda que estas posean una altura de 200 mm, para el espaciamiento de las costillas

nos basamos nuevamente en el manual EM 1110-2-2702 donde se recomienda que se

proceda de la siguiente manera:

Imagen 4. Anlisis de espaciamiento entre costillas para reforzar la pantalla de la compuerta

Taintor.

Para costillas consideradas compactas:

=187

Para costillas consideradas no compactas:

=255

Donde: t: espesor de la pantalla. Sy: Esfuerzo de Fluencia del material de la pantalla.

Vigas Horizontales

Las Vigas Horizontales actan como costillas horizontales, estas se disean con figuras

prismticas simtricas, normalmente usadas las vigas I y de Acero ASTM A36, proporcionan

resistencia al momento flector de la pantalla y se ubican a 1/5 del ancho de la compuerta

para cada lado , su diseo se sustenta en estabilidad del sistema y economa, ya que al estar

correctamente diseadas sirven de refuerzos para la pantalla, sin embargo el

sobredimensionamiento de este elemento agregara cargas en la pantalla y las costillas lo

cual no es beneficioso para el diseo de la compuerta radial, en este tipo de elemento se

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realizan pequeas perforaciones que funcionan como agujeros de drenaje de lquidos que

pudiesen quedar estancados y provocar la corrosin en el mecanismo.

Cauchos selladores tipo J Estos selladores tipo nota msica J son elementos que se usan de selladores debido a que

la compuerta no usa guas laterales del embalse ni en su parte inferior (en la base), su

principal funcin es sellar el paso de fluido entre los espacios del embalse y la compuerta

radial y evitar de esta manera el efecto de cavitacin provocado por dicho paso de fluido,

adems de evitar el desgaste la pantalla por la friccin con las paredes del embalse, el

material utilizado para estos cauchos selladores es el ASTM D2000, que es un material de

alta densidad y resistencia. La sujecin de este elemento se realiza mediante la adherencia

de una ranura de ajuste para controlar la presin del sellador con el piso del embalse.

Imagen 5. Acoplamiento de Cauchos selladores tipo J en la base de la compuerta Taintor.

En el diseo de la compuerta se toma en consideracin el afecto que tienen los elementos

que componen el sistema con los esfuerzos, deformaciones y relaciones econmicas en su

diseo y fabricacin.

A continuacin, se presenta un esquema de la defeccin que se provoca en la pantalla con

todos sus componentes de refuerzo (Costillas y Vigas Horizontales):

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Imagen 6. Representacion grafica de distribucion de los esfuerzos en las compuertas radiasles tipo

Taintor. Imagen sacada de Evaluating a Tainter Gates Dynamic Stability Using Modal Analysis por Robert V. Todd. U.S. Department of the Interior.

6.2. Brazos de la compuerta Los brazos de la compuerta se los disea de manera de cercha debido a que es ms ligera

y tiene la capacidad de soportar las cargas sin deformarse y adems de la fcil construccin.

Para los brazos de la compuerta se selecciona las vigas I debido a su simetra, tambin

no notamos que el radio de la compuerta es casi 1,25 de la altura total de la compuerta,

teniendo lugar a una longitud de brazos de 18.75m por esta razn el tejido se lo disea de

esta manera ya que as disminuimos la longitud de los brazos a pequeos tramos que tienen

ms facilidad de soportar momentos sin sufrir deformacin, todo el tejido de la vigas es

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soldado por la facilidad de construccin, tambin si realizamos uniones pernadas

correramos el riesgo de sufrir una falla por corrosin por hendiduras en las uniones entre

placa perno.

El diseo est basado en manual del cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, el material

de toda la compuerta es Acero estructural A36.

6.3. Articulacin principal de la compuerta radial Taintor

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El mun de la compuerta va a ser unos de las partes articuladas ms importantes de la

compuerta, ya que en este rota la compuerta y va a soportan las fuerzas de reaccin

generadas por la cargas hidrosttica. En la siguiente se observa los componentes

principales del mun.

Las cargas y las diferentes combinaciones de las cargas, normal, ocacional y excepcional, se

las deben tomar de la norma NBR-8883-4.8.7.1. y con esta se hace la seleccin adecuado

del eje. Cabe indicar que el eje del munon estaria sometido tanto a cortante como a flexion,

pero se debera analizar el factor de seguridad bajo cortante, ya que estara sometido a las

cargas como se muestra enla fig.

Estas partes de la compuerta seran disenadas con acero AISI/SAE 1018, para el eje del

munon y acero estructural A36, para el munon y las cartelas de esta.

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7. SISTEMA DE APERTURA DE LA COMPUERTA

El Instituto Nacional Americano de Norma (ANSI) y la Sociedad Americana de Ingenieros

Mecnicos (ASME) han desarrollado y publicado normas para el diseo de la cadena para

la apertura de una compuerta. Estas normas han sido descritas en unidades inglesas, a pesar

de eso las ltimas ediciones de estas normas tienen la mtrica equivalente (slo de

referencia). Inclusive, el diseo bsico de la cadena en ANSI B29.1 es escrito en unidades

inglesas. El dimetro de los rodillos se define como 8.5 veces el paso. Cabe destacar que

existen tanto normas DIN Europea (alemn), como normas ISO para el diseo de dicha

cadena.

Hay que sealar que en la mayora de aplicaciones que involucra el uso de cadenas para

transmisin de energa o potencia utiliza las normas ANSI / ASME. Sin embargo la diferencia

entre ambas cadenas es generalmente irrelevante. La carga en ambas cadena es

bsicamente lo mismo y en ambas aplicaciones la cadena est pasando a travs de una

rueda dentada. La mayor diferencia entre la transmisin de energa y elevacin es probable

la velocidad. En aplicaciones de elevacin, el recorrido de la cadena ser extremadamente

lento.

En base a la investigacin bibliogrfica y al anlisis de las capacidades de la compuerta,

analizando, se ha escogido dos potenciales normas que pueden ser implementadas para el

desarrollo del sistema de apertura de la compuerta. Estas normas son:

ANSI / ASME B29.1M (1993) Precision Power Transmission Roller Chains, Attachments

ANSI B29.1 asigna designaciones numricas estndar a cadena basado en el tono, la anchura

de la cadena, y el dimetro del rodillo. Los tamaos de cadena dado en B29.1 son

generalmente inadecuados para la mayora de las aplicaciones de elevacin de compuerta

tainter. Los beneficios principales de esta norma es que cualquier cadena fabricada de

acuerdo al pin, se ajustara al pin estndar con la misma designacin de la norma. La

cadena de un fabricante sustituir a la cadena de otro fabricante.

ANSI / ASME B29.10M (1994), Heavy Duty Offset Sidebar Power Transmission Roller

Chains and Sprocket Teeth

Se estandariza compensado tipo barra lateral de la cadena. Este estndar incluye cadena

con un alcance de hasta 7 pulgadas (177,8 mm) y una resistencia a la rotura mnima de

425.000 libras (1.890 kN).

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7.1. SELECCIN DEL MATERIAL Elegir el material del que va a estar fabricada la cadena quizs sea uno de los parmetros

claves para el diseo de las mismas. El tipo de material utilizado para la cadena tendr un

impacto en la fuerza, la resistencia a la corrosin, y la vida global de la cadena. La seleccin

del material debe realizarse proyectando una vida de 50 aos de la misma.

La cadena de elevacin utilizada en compuertas y portones Taintor ser rolada en caliente

para soportar la lluvia, nieve, etc. La porcin de la cadena que se conecta a la puerta ser

sumergida en el ro. Esto somete a la cadena a limos y escombros. Debido a que las

compuertas de la represa rara vez ser movida completamente fuera del agua, se sumerge

la seccin inferior de la cadena para una mayor vida de servicio. Esta porcin inferior de

cadena tambin ser sometida a un arenado y pintura de aerosol.

Para el programa de MMMR, varios tipos de materiales se han utilizado para la cadena de

elevacin. Los diseos iniciales para el programa MMMR utilizaron barra de acero 1045

(arenado y pintado) y 4150 o 4142 con pasadores de acero niquelado. Tambin se utiliz

Metalizado (recubrimiento Monel) en las barras laterales. Debido a la utilizacin de las

barras laterales de acero, es probable que la parte sumergida de la puerta cadenas se tenga

que sustituir en los prximos 50 aos (incluso con metalizacin o la pintura). El diseo ms

reciente cadena de elevacin, como se dijo antes, utiliza barras laterales de bronce de

aluminio y pernos de acero inoxidable. Ambos materiales deben proporcionar la proteccin

a la corrosin adecuada para permitir muchos aos de uso. Bronce con aluminio se fabrica

por la norma ASTM B505 con un esfuerzo de fluencia de 62.000 psi (427,586 kPa). Los

pasadores de acero inoxidable se fabrican de tipo ASTM A564 XM-25 Condicin H1050. Este

acero inoxidable es equivalente al acero inoxidable tipo 304 resistente a la corrosin. La

desventaja principal de utilizar este tipo de acero inoxidable es que fue desarrollado por

uno fabricante y no est fcilmente disponible a partir de otros fabricantes. Otras opciones

para el acero inoxidable incluyen el uso de la norma ASTM A564 Tipo 630. Este material est

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muy cerca de propiedades a XM-25 y est disponible en ms fabricantes. Hay algunos

desventajas del uso de Tipo 630 acero frente XM-25. El Tipo 630 acero es ms difciles de

mecanizar y debe ser la edad endureci antes de usar. Una comparacin de los aceros

inoxidables se proporciona a continuacin en la Tabla:

8. DETERMINACIN DE LAS FUERZAS SOBRE EL SISTEMA MECNICO.

Las fuerzas hidrostticas son aquellas producidas por el peso del fluido que actan perpendicularmente a la superficie de la compuerta.

Imagen 7. DLC de la compuerta radial.

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: 999.97 Kg/m^3. g: 9.80665 m/s^2.

F1 = hcA

F1 = (9806.35Kg

m2s2) (6m)(12x12m2)

F1 = 8472691.4116 N

De igual manera

F2 = (9806.35Kg

m2s2) (12m)(5.99x12m2)

F2 = 8458565.256 N

W = = (ACDEx12)

sin() =12

15

= 53.13 = = 15

= = 15 15 cos() = = 5.99

ACDE = ABCDE ABCE = (12x5.99) ABCE

ABCE = AACE AABE = (152) (

53.13

360)

1

2(12(15 cos(53.13)))

ABCE = 104.32 54 ABCE = 50.310 m

2

ACDE = (12x5.99) 50.319 ACDE = 21.56 m

2

W = (9806.35)(12(21.56)) W = 2537216.548 N

Fx = 0

FGx F1 = 0 FGx = F1 = 8472691.4116 N

Fy = 0

FGy + F2 W = 0

FGy = 8458565.265 2537216.548

FGy = 5921348.717 N

FG = FGx2 + FGy

2

FG = 10.336 MN