memoria cimentacion conducto forzado charcani v

MEMORIA DE CLCULO DE LOS MACIZOS DE ANCLAJE DEL CONDUCTO FORZADO DE CHARCANI V

ESTRUCTURAS Y CIMENTACION DE MAQUINAS 1

MEMORIA DE CLCULO DE LOS

MACIZOS DE ANCLAJE DEL CONDUCTO

FORZADO DE CHARCANI V



Contenido

1. INTRODUCCION .......................................................................... 3

1.1. CRITERIOS BASICOS DE DISEO ........................................... 4

1.2. CONTEXTO de estudio ........................................................... 5

2. PRE-DIMENSIONAMIENTO DEL BLOQUE ....................................... 7

2.1. DATOS NECESARIOS PARA EL PRE-DIMENSIONAMIENTO........ 7

2.2. DIMENSIONES ADOPTADAS PARA EL BLOQUE ........................ 9

3. CLCULO DE VERIFICACIONES PARA LOS BLOQUES ..................... 10

3.1. VERIFICACION AL DESLIZAMIENTO ....................................... 10

3.2. VERIFICACION DE LAS TENSIONES EN EL SUELO .................. 18

4. DIMENSIONAMIENTO DE ARMADURAS ........................................ 19

5. RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS ........................................ 19



1. INTRODUCCION

La presente memoria de clculo tiene por objeto el diseo y verificacin estructural de los Bloques de Anclaje correspondientes al conducto forzado de la hidroelctrica de Charcani V, empleando como cdigo de referencia se utiliza el CIRSOC 201 Proyecto, Clculo y Ejecucin de estructuras de Hormign Armado visto que es una metodologa entendible y realizable por alumnos de pregrado.

Como sabemos el criterio bsico de diseo de estas fundaciones de conductos o grandes tuberas, es que se colocan bloques macizos de anclaje para cada cambio de direccin, adems de los bloques de cimentacin se deben colocar apoyos intermedios para evitar que se produzcan esfuerzos excesivos de la tubera comportndose como viga. Como sabemos la central hidroelctrica de Charcani V es la nica hidroelctrica en el mundo construida en el interior de un volcn que es el volcn Misti, entonces nuestro estudio de cimentaciones debe basarse en este tipo de suelo que es volcnico.

Se solicit el diseo de tres bloques macizos para 3 cambios de direccin establecidos en clase cuyos cambios de direccin se detallarn en lo posterior, entonces los bloques son: BLOQUE A, BLOQUE B y BLOQUE C. En cada Bloque las caractersticas geomtricas y las dimensiones, varan para cada caso en funcin de las solicitaciones, en especial de los cambios de direccin del conducto forzado, as como la capacidad geomecnica de los estratos de suelo subyacentes (Comportamientos frente a vibraciones, etc. tema que no se profundizar mucho). Es necesario que estos bloques estn diseados para un mayor aprovechamiento del empuje pasivo en la verificacin al deslizamiento, o bien con platea, cuando las malas condiciones del suelo as lo requieren, en nuestro caso es suelo volcnico, por lo que se requiere un estudio detallado de suelos que no poseemos al detalle, o en todo caso asegurarse con buen factor de seguridad en el diseo de los bloques de anclaje. Los bloques a calcularse son los ms representativos de cada tramo.

El conducto forzado posee a lo largo de toda su traza diferentes accesorios utilizados en curvas, cambios de direccin, vlvulas, etc. Se debe asegurar que los empujes generados por la presin interna del flujo en estos puntos notables sean neutralizados para evitar cualquier desplazamiento que coloque en peligro la estanqueidad de las juntas y la integridad del conducto y accesorios. Para ello se construirn bloques de anclaje de hormign armado que sean el soporte y absorban esos empujes que se basan en la teora de cantidad de movimiento que hemos



estudiado a profundidad en el curso de mecnica de fluidos, de manera que el tramo de caera quede inmerso total o parcialmente en dicho bloque.

1.1. CRITERIOS BASICOS DE DISEO El empuje axial en el extremo del conducto est en funcin de la presin interna y de su seccin. Se adopt como presin de clculo la de prueba, equivalente a 1,5 veces la presin nominal del agua en el conducto.

En el caso de curvas o cambios de direccin, la solicitacin de clculo es el empuje radial centrfugo, que depende del empuje axial y del ngulo del cambio de direccin.

Vale la pena recalcar que el criterio bsico de diseo es que se colocan bloques macizos de anclaje para cada cambio de direccin, adems de los bloques de cimentacin se deben colocar apoyos intermedios para evitar que se produzcan esfuerzos excesivos de la tubera comportndose como viga. Algo extra para nuestro conocimiento es que para las bifurcaciones y cambios de dimetro se adopta como empuje de clculo el empuje axial de prueba correspondiente al dimetro cuyo eje es perpendicular al eje del accesorio. Sin embargo en este trabajo solamente hay solicitaciones lineales y de cambio de direccin

Se consider tambin la posibilidad de que la estructura est sometida a cargas accidentales debido al colapso de tierra y escombros dentro del tnel se analizaron las distintas configuraciones de ubicacin de ejes a fin de evaluar el estado ms desfavorable de superposicin de bulbos de tensiones, a una profundidad de estudio de 2,00m respecto al nivel de terreno natural. Aplicando la formulacin elstica de Boussines se obtuvo un incremento de tensin, en el caso ms desfavorable, de 0,08kg/cm2.

En el caso de las zonas que por la cota de fundacin de la conduccin puedan estar afectadas con niveles freticos elevados o por inundaciones peridicas propias del curso de agua, se considera que la accin del agua afecta a toda la tapada de suelo, de manera tal que la subpresin influye directamente sobre el peso del suelo y las estructuras de hormign, incidiendo sobre todo en la verificacin al deslizamiento.

Para la verificacin de las tensiones sobre el terreno se adoptaron las densidades de cada material sin la incidencia de niveles de agua elevados.



1.2. CONTEXTO DE ESTUDIO

Como dijimos anteriormente la central hidroelctrica de Charcani V es la nica hidroelctrica del mundo construida en el interior de un volcn (el Misti) fue inaugurada en 1989. Capta el agua de la represa de Aguada Blanca y la conduce por un tnel de 10 km., para que luego de una abrupta cada de 706 metros genere 135 MW (en tres turbinas Pelton de 45 MW cada una). Tal como podemos apreciar en la siguiente figura:

Como vemos la capacidad instalada de esta central hidroelctrica es de 135MW, sin embargo datos actuales segn EGASA indica que consta de tres grupos de turbinas Pelton de eje vertical, fabricadas por NEYRPIC y tiene una potencia instalada de 51 290 kW por cada grupo. El caudal de diseo de esta central hidroelctrica es de 24,9 m3/s y su cada neta es de 706,4 m. Cuenta con tres generadores marca Alsthom Atlantic, tipo RYV 366.153 y con una potencia de 57 000 kVA cada uno, para una tensin nominal de 13 800 V y operan con un factor de potencia de 0,85. La energa es suministrada a la Subestacin Santuario que est conectada al SINAC.



A continuacin se mostrar la ubicacin geogrfica obtenida gracias a satlite, proporcionada por Google Maps, donde se puede apreciar el rio Chili en la parte inferior, as como tambin se puede apreciar el salto hidrulico mediante la diferencia de cotas que se observa:



2. PRE-DIMENSIONAMIENTO DEL BLOQUE

El procedimiento para el pre-dimensionamiento es iterativo hasta comprobar que el bloque de cimentacin es adecuado y resiste las solicitaciones que se le atribuyan, la realizacin de dicha comprobacin se realizar ms adelante en A continuacin se describe el criterio de clculo de pre dimensionamiento de los anclajes.

2.1. DATOS NECESARIOS PARA EL PRE-DIMENSIONAMIENTO

MATERIALES

Para los clculos preliminares de pre-dimensionamiento, necesitamos asumir materiales tanto para el concreto como para el acero.

Generalmente para este tipo de cimentaciones para anclaje de conductos forzados y grandes tuberas se usa:

Tipo de hormign: H-13

= = 1050

2

= = 2.40

3

= 5 .

Tipo de Acero: ADN- 420

= = 2.4

= = 22400000

2

CARACTERISTICAS DEL SUELO

En el dimensionamiento de los bloques de anclaje se utilizan los parmetros de suelo indicados en el estudio de suelos, considerando que el punto donde se realizaron los estudios sea representativo del suelo en la zona donde se ejecutar el bloque de anclaje. Los parmetros considerados son:

= =



= = 2 (45 +

2)

= =

Durante la etapa constructiva se deber garantizar que las caractersticas del suelo natural y del relleno compactado utilizado en la ejecucin del bloque, igualen o superen en calidad a las utilizadas para el clculo, y de no ser as realizar las modificaciones necesarias durante la etapa de ingeniera de detalle.

CONDUCTO FORZADO

Los principales datos que necesitamos del conducto forzado para el clculo de los bloques son los siguientes:

= = 3 = ( ) =

PRESIONES EN EL CONDUCTO FORZADO

= = 9810

3

= = 1.5



2.2. DIMENSIONES ADOPTADAS PARA EL BLOQUE

E l largo del bloque ser funcin tambin de la forma y dimensiones de la pieza en particular. Para el dimensionamiento de los bloques en esta memoria de clculo, se utilizaron como referencia los datos brindados en el Catlogo de accesorios de tuberas de PRFV de Amitech.

Se deber verificar que la suma del empuje pasivo y la fuerza de rozamiento sea mayor al empuje de clculo, siendo:

=

=

= 1 = 2 =

La geometra y dimensiones de los bloques de anclaje calculados estn indicados en los planos correspondientes.



3. CLCULO DE VERIFICACIONES PARA LOS BLOQUES

En este captulo se hace la comprobacin de las dimensiones asumidas en el pre-dimensionamiento mediante la aplicacin de frmulas y criterios basados en la ingeniera de cimentaciones.

3.1. VERIFICACION AL DESLIZAMIENTO

La estabilidad del sistema bloque-suelo ser dada por:

a) El empuje pasivo del suelo sobre el bloque. b) La resistencia al deslizamiento del bloque sobre la superficie de apoyo (suelo).

El empuje pasivo del suelo ser funcin de:

a) Peso especfico del suelo b) Altura del bloque c) Ancho del bloque d) Tapada de suelo sobre el bloque e) ngulo de friccin interna del suelo

La resistencia del terreno al deslizamiento del bloque ser funcin de:

a) Peso del bloque b) Peso del suelo que est por encima del bloque c) Peso del agua de caera d) Peso del Conducto Forzado e) Coeficiente de friccin del suelo con el hormign

En el caso de que el cambio de direccin sea en el plano vertical, nicamente el peso del bloque y del suelo sobre el bloque equilibran el empuje generado por la presin en el conducto forzado.

Ms all de los accesorios que se utilizan a lo largo de la traza, existen tambin puntos donde se generan ngulos en la alineacin de los tramos del conducto forzado, aprovechando la flexibilidad de las juntas. En estos puntos tambin aparecen empujes, aunque mucho menores. Si las curvas son en el plano horizontal, se recomienda realizar una cuidadosa compactacin del material de relleno entre los tramos del conducto forzado y la pared de la zanja. Si la curva se da



en el plano vertical, se deber verificar que el peso del suelo de relleno por encima del conducto forzado contrarreste el empuje vertical generado por la presin del conducto forzado para el ngulo generado. Si luego de la verificacin se concluyera en la necesidad de colocar un bloque de anclaje, ste se deber construir siempre entre los extremos de los tramos del conducto forzado y la pared de la zanja y nunca contra el manguito de la junta.

Las verificaciones se hacen para la presin hidrulica de prueba, adoptada como 1,5 veces la presin nominal dentro del conducto forzado.

La tapada de suelo sobre el bloque de anclaje de HA se adopta en funcin de las dimensiones del bloque y la tapada del conducto forzado. Para que las verificaciones se cumplan, dichas condiciones de tapadas debern estar aseguradas durante la ejecucin de las estructuras. De haber modificaciones, se deber recalcular el bloque.

La verificacin de la estabilidad del bloque se hace de manera que la fuerza equilibrante se compute considerando un coeficiente de seguridad igual a 2 para el empuje pasivo y un coeficiente de seguridad igual a 1,5 para la componente de friccin H-suelo.

Entonces:

. = 2 . = 1.5



CALCULO DE CARGA PRODUCIDA POR EL CAMBIO DE DIRECCIN DE TUBERA

= 2 (2

4) . . (

2)

Donde

Fp = Carga producida por el cambio de direccin de la caera d = Dimetro de la tubera

= Angulo de la caera P = Presin hidrulica de prueba = 1.5 PN

BLOQUE 1

1 = 2 (3.102

4) . 7030000. (

30

2)

1 = 41198943.51 = 4201

BLOQUE 2

2 = 2 (3.102

4) . 7030000.1,5. (

60

2)

2 = 79590247.11 = 8115.95

BLOQUE 3

3 = 2 (3.102

4) . 7030000.1,5. (

30

2)

3 = 41198943.5 = 4201

CALCULO DE LA FUERZA EQUILIBRANTE

Empuje pasivo

= 1 = ( + ) 2 = ( + ) = (1 + 2)/2 ( + )



Peso del Bloque:

=1 + 2

2 (

2

4)

1 + 2

2

= Peso del Suelo sobre el bloque:

Peso del suelo sobre el bloque

=1 + 2

2

= Siendo: Hb: Altura del bloque

Hsb: Altura del suelo sobre el bloque

Lb2: Longitud mayor del bloque

Lb1: Longitud menor del bloque

Peso total Pt = Pbt + Ps

Fuerza Equilibrante:

=

2+

1.5

Se cumple la verificacin si Feq > Fp. Entonces Calculamos para cada bloque:



Bloque 1

Suponiendo Hsb = 10m

a = 6m

pp1 = 2100.10.tg2(45+35/2) pp1 = 15498.7 Vg/m3

pp2 = 2100.(10+6).tg2(45+35/2)

pp2 = 123989.79 kg/m3

Epf = (15498.7+123989.79)/2.6.15 Epf = 627982.07 kg = 6276.98 Tn

Vbt = [(15+10)/2.6.6]-[(3.1416.3,12/4)(15+10)/2] Vbt = 355.65 m3

Pbt = 355,65.2,4 Tn/m3 Pbt = 853.57 Tn

Vs = 6.6.(15+10)/2

Vs = 450 m3 Ps = 450*2100

Ps = 945000kg = 945 Tn Pt = 853.57 + 945

Pt = 1798.57 Tn

Feq = 6276.98/2 + 1798.57/1.5 Feq = 4337.54 Tn



Bloque 2

Suponiendo Hsb = 10m

a = 6m

1 = 2100

3 10 2(45 +

35

2)

1 = 77493,62

3

2 = 2100

3 (10 + 7) 2(45 +

35

2)

2 = 131739,15

3

=77493,62 + 131739,15

2 7 20

= 14646.3

= [(20 + 15)

2 6 7] [(

3,12

4)(

20 + 15

2)]

= 580,9 3

= 580,9 3 2,4

3

= 1395

= 6(20 + 15)

2 7

= 735 3



= 735 3 2100

3

= 1543,5 = 1395 + 1543,5 = 2938

=14646,3

2+

2938

1,5

= 9281,6

Bloque 3

Suponiendo Hsb = 10m a = 6m

pp1 = 2100.10.tg2(45+35/2) pp1 = 15498.7 Vg/m3

pp2 = 2100.(10+6).tg2(45+35/2) pp2 = 123989.79 kg/m3

Epf = (15498.7+123989.79)/2.6.15

Epf = 627982.07 kg = 6276.98 Tn



Vbt = [(15+10)/2.6.6]-[(3.1416.3,12/4)(15+10)/2] Vbt = 355.65 m3

Pbt = 355,65.2,4 Tn/m3

Pbt = 853.57 Tn Vs = 6.6.(15+10)/2

Vs = 450 m3 Ps = 450*2100

Ps = 945000kg = 945 Tn

Pt = 853.57 + 945 Pt = 1798.57 Tn

Feq = 6276.98/2 + 1798.57/1.5 Feq = 4337.54 Tn

- RESULTADOS DEL CALCULO DE BLOQUES DE ANCLAJE:

Bloque N Fp (tn) Feq (tn) Cumple Feq > Fp

1 4201 4337 OK

2 8116 9281 OK

3 4201 4337 OK



3.2. VERIFICACION DE LAS TENSIONES EN EL SUELO

Se verifican las tensiones en el suelo tanto en el plano horizontal como vertical, de manera que no sobrepasen las tensiones admisibles.

a) >

=

2

: Tensin en el suelo en la direccin horizontal

Fp: Fuerza generada por el cambio de direccin en la caera

Hb: Altura del bloque

Lb2: Longitud mayor del bloque

b) >

=2

1 + 2

Siendo: tv: Tensin en el suelo en la direccin vertical Pt: Peso total bloque + suelo Lb1: Longitud menor del bloque Lb2: Longitud mayor del bloque a : ancho del bloque

Como el suelo presenta caractersticas de arcillas de media- alta plasticidad, con porcentajes elevados de pasante tamiz #200 (> 90%) y ngulos de friccin bajos en el rango 5-10, el coef. de empuje al reposo Ko resulta prximo a la unidad, razn por lo cual aplicando la ecuacin de Jky (1944) ambas tensiones son aproximadamente iguales.



4. DIMENSIONAMIENTO DE ARMADURAS

Se colocar una armadura de cscara formada, como mnimo, por una malla 6mm c/15 cm, en todas las caras del bloque. En los bloques ms solicitados la armadura de cascada se adopt de la misma separacin pero una malla 8mm.

Para las armaduras principales se adopta el rea de incidencia de la fuerza de clculo como una losa unidireccional. Se verifica en los voladizos de las alas terminales para las pantallas, y para los bloques sin pantalla se considera el espesor de hormign por detrs del punto de aplicacin de la fuerza.

El momento de clculo ser:

Para bloque con pantalla:

=(

22 )

2

2

Para bloque sin pantalla:

M = Fp.Lb2/(4.Hb)

5. RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS

En funcin de las caractersticas qumicas del suelo en estudio que en nuestro caso es suelo volcnico, se recomienda la utilizacin de hormigones con cemento de alta resistencia a los sulfatos (ARS). En cuanto a las metodologa constructiva, las condiciones geomecnicas que presentan los estratos subyacentes, especialmente en BLOQUE 1 y BLOQUE 3 obligan a mejorar las condiciones fundacionales, razn por lo cual se recomienda optimizar las condiciones de apoyo de las estructuras en estudio. Conforme a lo mencionado surgen las siguientes recomendaciones: Mejorar la capa de apoyo de la losa mediante la ejecucin de capas de suelo cemento, con un sobreancho de 0,30m respecto a las dimensiones del bloque y 0,50m de espesor, resistencia mnima a la compresin a los 7 das de 20kg.

La capa de suelo cemento propuesta deber estar apoyada sobre el terreno natural previamente compactado al 95% de la densidad mxima (Ensayo VN- E-5-93 Compactacin de Suelos) en un espesor mnimo de 0,20m segn la bibliografa leda.



PLANOS BLOQUES DE ANCLAJE:

PLANO 01: DETALLES GENERALES CONDUCTO FORZADO CHARCANI V.

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