cimentacion de maquinas

CIMENTACIÓN DE MÁQUINAS 1. GENERALIDADES:

1.1.

CAUSAS DE LAS VIBRACIONES SOBRE EL CIMIENTO Y EL SUELO DE CIMENTACIÓN La causa principal de las vibraciones suele estar en el funcionamiento de máquinas no bien equilibradas, aunque también en las operaciones de construcción en zonas próximas pueden provocar vibraciones y también el tráfico de carreteras o ferrocarriles próximos. Sin embargo, la maquinaria es la causa más frecuente y además supone una actuación de tipo cuasi-permanente.

1.2.

EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS VIBRACIONES SOBRE EL SUELO Las ondas producidas por las oscilaciones de la maquinaria son longitudinales y transversales y se amortiguan rápidamente en suelos secos o de baja humedad. En arcillas y limos saturados la amortiguación es más baja. Un problema importante es la posibilidad de que las ondas producidas entren en resonancia, pues tales situaciones son frecuentemente notadas por las personas y pueden incrementar seriamente los asientos de las cimentaciones.

1.3.

EFECTOS DE LAS VIBRACIONES SOBRE LA ESTRUCTURA DEL CIMIENTO Estos efectos pueden resultar perjudiciales para la estructura del cimiento desde dos puntos de vista:

a. Los anclajes de la maquinaria al cimiento deterioran el hormigón de la zona circundante. b. La variación de tensiones inducida produce efectos de fatiga en el hormigón y/o las armaduras La interposición de apoyos amortiguadores de energía entre las máquinas y su cimiento o entre el cimiento y el suelo son una medida eficaz para reducir estos problemas.

2. IMPORTANCIA DE LA CIMENTACIÓN DE MÁQUINAS Todas las cimentaciones de la máquina, excepto algunas, deberían ser consideradas como problemas serios de ingeniería. Los más grandes problemas se deben a las cargas dinámicas, causadas por vibraciones que el diseñador debe tener en cuenta escogiendo una solución que es técnicamente buena y económica. Para cimentaciones con cargas estáticas es suficiente saber las cargas y los resultados de pruebas mecánicas del subsuelo. Pero las cimentaciones de máquina con cargas dinámicas ponen al diseñador en un problema mucho más complejo. Al construir las fundaciones, los efectos de ambas cargas estáticas y dinámicas deben ser considerados. El cuidado en el diseño debe ser primordial para asegurar el funcionamiento de la máquina evitando vibración dañina en la base o el subsuelo o, si la fundación no descansa sobre el suelo, en el piso que lo soporta y puede transmitir vibraciones para sus afueras. La importancia de diseño de la fundación de la máquina no fue reconocida en el pasado. Los métodos simples de cálculo fueron usados más a menudo, requiriendo la multiplicación de las cargas estáticas por un "factor dinámico" estimado, el resultado siendo tratado como una carga estática aumentada sin cualquier conocimiento del real factor de seguridad. Por esta inseguridad el valor del "factor dinámico" adoptado fue usualmente demasiado alto, aunque comúnmente resultaban deformaciones dañinas durante la operación, aun cuando estos factores excesivos fueron usados. Una investigación científica más profunda hecha de carga dinámica era necesaria. Un estudio más detallado se volvió urgente también por el gran desarrollo tecnológico de la máquina. Las máquinas contemporáneas son cien veces más poderosas que los viejos, esto le da lugar a una ”fatiga” considerable, planteando problemas que están referidos en el campo de la teoría de vibración y mecánica de los suelos. No es suficiente que los fabricantes de la máquina den instrucciones breves en sus dibujos, como "la máquina debe descansar sobre subsuelo portador de carga adecuado", con, a lo más, los valores aproximados para las fuerzas diversas de inercia. La vibración de la cimentación tiene como resultados, ocasionalmente, asentamientos diferenciales de la cimentación, deformaciones y grietas, estos en gran medida pueden disturbar la operación de la máquina. El desgaste disparejo potencial puede dar como resultado el fracaso del eje, con la parada consiguiente de la máquina y quizá el cierre de las obras, dando lugar a pérdidas serias en la producción. La eliminación de vibraciones es especialmente importante en los lugares donde las tuberías están relacionadas a las cimentaciones, porque la vibración puede deteriorar la estrechez de las junturas de la tubería, con fuga posible del gas y explosión, causando daño considerable. En particular las oscilaciones peligrosas pueden surgir si las estructuras industriales como de torres, como silos y fustes de chimenea, están sujetas a las fuerzas periódicas. Las cargas de la máquina no pueden variarse, ni es eso usualmente posible para cambiar la velocidad de la máquina para producir una frecuencia diferente. Por eso la anterior atención debe ser dada a la eliminación de oscilaciones dañinas. Una forma para evitar vibración es establecer un balance interior en la máquina. Esto puede hacerse por ejemplo por el uso de considerar cuidadosamente masas de magnitud igual, que actúen en direcciones contrarias. Sin embargo, un balanceo similar de magnitudes es rara vez práctico, salvo en instancias dónde fundaciones especiales daría como resultado costo muy alto, o donde el trabajo de la cimentación sería de mucha dificultad.

El costo de las cimentaciones de máquina es sólo una fracción pequeña del equipo de ingeniería, y un diseño inadecuado de las fundaciones puede resultar en fracasados y los cierres excediendo muchas veces el costo de la inversión de capital requerida. Es claro por consiguiente, que el diseño correcto de fundaciones de la máquina es de la máxima importancia para la estructura entera.

3. CLASIFICACIÓN DE LA CIMENTACIÓN DE MÁQUINAS: 3.1.

SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCIÓN:

3.1.1. Cimentaciones Simples o de Bloque Cimentación maciza que consiste en un pedestal de concreto armado en el cual descansa la máquina puede ser uniforme o con aberturas de hasta 50 por ciento de su volumen (vea Fig. 1)

FIG.1-4 Los tipos básicos de máquinas con acción dinámica 1. Cimentación simple fig. 1; 2. Cimentaciones complejas: a) Cimentaciones tipo pared (fig. 2); B) Cimentación enmarcada (fig. 3); C) Cimentación tipo del arcón de armas (fig. 4)

3.1.2. Cimentaciones complejas: Estos están divididos a su vez en tres grupos: Cimentaciones tipo pared, usualmente consisten en dos paredes semejantes el uno del otro, estas paredes soportarán la maquinaria en su parte superior (vea. 2). Cimentaciones tipo enmarcado, que tienen una estructura de columnas verticales y marco horizontal compuesta de vigas reforzadas juntas por medio de vigas longitudinales; Las vigas maestras del marco y las vigas longitudinales constituyen un diafragma horizontal (vea Fig. 3).

Cimentaciones tipo cajón o caisson, con el cual la rigidez necesaria puede ser lograda por la disposición apropiada de elementos, su principal ventaja es el ahorro de material (vea Fig. 4).

3.2.

SEGÚN LA VELOCIDAD DE OPERACIÓN:

3.2.1

Máquinas que generan fuerzas como “sacudidas” o shock-like, En este grupo están por ejemplo loa martillos de vapor. Las cimentaciones de bloque o simples están usualmente previstas para máquinas de este tipo. Las máquinas similares a estas deberían cimentarse con disipadores de vibraciones elásticas. Las máquinas de baja velocidad funcionan a las 60 para 80 revoluciones por minuto, mientras los de alta velocidad logran 150 revoluciones por minuto o más.

3.2.2

Las máquinas de baja velocidad “low-speed” de aproximadamente 50 r.p.m., Como máquinas de la industria del escrito, las máquinas de imprimir, los molinos de vapor, no producen amplitudes peligrosas.

3.2.3

Las máquinas de baja velocidad “low-speed” de aproximadamente 10 ciclos por segundo. Estas máquinas funcionan a velocidades de hasta 600 r.p.m. pueden cimentarse por cimentaciones de tipo simple o compleja, y pueden o no pueden ser provistas de rellenos elásticos.

3.2.4

Las máquinas de una velocidad moderada del 10 al 25 los ciclos por segundo. Para soportar tales máquinas teniendo velocidades de operación de 600 a 1,500 r.p.m., Muchas clases de cimentaciones pueden ser usadas; Son usualmente provistas de rellenos elásticos. Las precauciones adecuadas deben ser tomadas para prevenir la ocurrencia de amplitudes excesivas.

3.2.5

Las máquinas con altas velocidades de operación de 25 ciclos por segundo a más. Las cimentaciones construidas para este tipo de máquinas (entre ellas compresores y turbinas) están usualmente colocadas directamente en el suelo, y estas son en mayor parte del tipo complejas, consistente en marcos. Las velocidades de operación están entre 3,000 revoluciones por minuto pero logran también 10,000 revoluciones por minuto a más. Con respecto a esta clasificación es notable que máquinas con inercia pequeña, o sea de una energía cinética baja, puede ser colocada en cualquier tipo de cimentación, en el suelo o en un piso, ya sea directamente o con la inserción de rellenos elásticos, ya que las amplitudes producidas son pequeñas, o de ningún modo apreciables. Al diseñar las fundaciones para estas máquinas las fuerzas dinámicas pequeñas pueden ser despreciadas. Sólo las cargas estáticas necesitan ser tenidas en cuenta, tales máquinas son, por ejemplo, bombas, máquinas herramientas, máquinas de hilar, telares, etc..

3.3.

DESARROLLO DE LA ERA ESPACIAL: Con el avance de la tecnología, nacen nuevos retos para la ingeniería, para cimentar estas nuevas estructuras se tienen que tomar en cuenta nuevos criterios. En cimentación para antenas de radar de gran precisión. Las fuerzas dinámicas ocurren conforme se acelera o desacelera, en elevación o en azimut. Plataforma de encendido de las diversas etapas del cohete Saturno V en las misiones Apolo. En estas cimentaciones se debe verificar el comportamiento de los componentes precisos de guía como los giroscopios. Deben conocerse las vibraciones ambientales del tráfico y de los microsismos, para minimizarlos o para aplicar las compensaciones adecuadas.

4. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN PARA LAS CIMENTACIONES DE MÁQUINAS.

Los materiales de construcción para fundaciones de la máquina pueden estar divididos en dos grupos principales: o Los materiales estructurales, usados principalmente para llevar y transmitir cargas, o Los materiales amortiguadores de vibración y sonido. Además se mencionará materiales usados para proteger cimentaciones en contra de clima, humedad y acción química. 4.1.

LOS MATERIALES ESTRUCTURALES, USADOS PRINCIPALMENTE PARA LLEVAR Y TRANSMITIR CARGAS

4.1.1. EL LADRILLO

Las cimentaciones de albañilería tienen la desventaja que los ladrillos colocados en mortero puede ser usada para resistir solo cargas compresivas, la elasticidad y resistencia al corte de los ladrillos son muy pequeñas. Las cargas dinámicas implican inevitablemente cargas alternadas y la mampostería no puede usarse para resistir tales fuerzas de manera correcta. Las máquinas de dimensiones pequeñas, donde el cálculo de fuerzas estáticas son suficientes, puede ser soportado en la mampostería colocada con mortero de cemento. En algunos casos el refuerzo puede usarse para permitirle a los ladrillos resistir tensión. El módulo de elasticidad de albañilería varía, este módulo de elasticidad depende, en gran medida, a los esfuerzos compresivos causados por incrementos y cargas estáticas conjuntamente con estos. Hay gran divergencia en a valores, según los resultados experimentales, el módulo de elasticidad se diferencia de 10,000 al 100,000 kg/cm2 (142,330 para 1,423,300 lb/sq.in). El valor del módulo está, según la experiencia general,

influenciada sólo para una extensión muy pequeña por la composición del mortero usado. 4.1.2. PIEDRA

Generalmente las mismas observaciones se aplican a la mampostería en lo que se refiere a albañilería. La gran atención debe estar en la unión de unidades de mampostería, el mortero (este requisito vale para mampostería también). Las piedras deben estar de verdad garantizadas. A falta de los resultados experimentales, los requisitos para las estructuras de concreto pueden ser provisionalmente aplicados a construcción en piedra también. 4.1.3. CONCRETO SIMPLE

El concreto simple sirve para cimentaciones del tipo bloque de máquinas. Puede ser usado en combinación con concreto armado, como una subestructura continua, los esfuerzos aquí son más pequeños. El módulo de elasticidad determinado en proceso de la carga dinámica es, según experimentos, idéntico con el módulo correspondiente a carga estática, con, sin embargo, una desviación posible de 30 por ciento. 4.1.4. CONCRETO ARMADO

El mejor material para cimentaciones de máquinas es el concreto armado. Puede resistir ambos esfuerzos compresivos y de tensión. Su durabilidad puede ser asegurada para uno prolongado tiempo en ambas condiciones húmedas y secas. Con aditivos correctos el concreto armado puede ser a prueba de ácidos, aceite, etc. Las propiedades del concreto armado son ya conocidas. 4.1.5. ACERO El acero usado más frecuentemente para las cimentaciones de máquina es el acero dulce. Este acero debería ser a prueba del efecto de humo, gases, ácido, sulfato de calcio y cloruro de magnesio, con una capa que impide oxido, y en el acero interior el que contacta con el suelo se debe aplicar un recubrimiento del alquitrán para prevenir corrosión. 4.1.6. MADERA

Pues la madera permanente de fundaciones de la máquina puede ser usada sólo en posiciones donde no correría riesgo de descomponerse, o sea donde esta esté constantemente seca o permanentemente cubierta (por ejemplo los montones de madera). La madera usada siempre debería ser tratada con preservantes.

Las fuerzas de tensión y compresivas de madera son igual, así la madera es igualmente resistente a los esfuerzos alternantes. La resistencia de la madera disminuye aumentando contenido de humedad.

4.2.

LOS MATERIALES AMORTIGUADORES DE VIBRACIÓN Y SONIDO. Las máquinas producen vibraciones, estas deberían ser aisladas de su subestructura o su cimentación por un estrato que amortigua la vibración, lo cual provee al mismo tiempo un soporte elástico para la máquina. Estos recubrimientos de amortiguación absorben vibraciones en virtud de sus propiedades elásticas. Los rellenos que amortiguan vibración están insertados entre la máquina y su cimentación o estructura de respaldo, pero también pueden ser colocados entre la fundación de la máquina y el suelo. Los resortes de acero deberían ser mencionados como los amortiguadores más perfectos conjuntamente con las maderas, ya que tienen propiedades elásticas únicas. Comúnmente los usados absorbedores de vibraciones como amortiguadores corcheros, de hule y “felt”, así como también especiales y plásticos serán considerados a continuación.

4.2.1. CORCHO Las características favorables del corcho, desempeñan un papel en su acomodamiento para amortiguar vibraciones, estas propiedades son su baja densidad, la impermeabilidad para gases y líquidos en ciertos porcentajes de humedad, conductividad térmica baja, y finalmente, su compresibilidad alta. Es primordialmente estas cualidades que le dan al corcho su acomodamiento para amortiguar vibración y también ruido. El corcho molido, estando mixto con aditivos puede ser comprimido a hojas. A causa de sus cualidades de amortiguación, la hoja del corcho obtenida de este modo es un excelente material que amortigua vibración adecuada para la fundación de máquinas de alta velocidad, hasta una resistencia de 15 kg/cm2. Su resistencia a rotura es 50 kg/cm2. Para máquinas de alta velocidad se colocan una sobre otra hasta lograr un espesor total a 12 cm. 4.2.2. EL CAUCHO

La vulcanización, es un proceso de la acción de calor y aditivos, esto induce en los cambios químicos de hules naturales y produce un material excelentes propiedades elásticas mejoradas. El caucho suave obtenido de este modo es un relleno elástico excelente de amortiguación; puede estar a su vez vulcanizado con metales. La resistencia de caucho para aceite mineral, benceno y gasolina es limitada, este debe ser a prueba de estos. El caucho “Buna”, producido sintéticamente, tiene propiedades similares, sin embargo, además de las cualidades de caucho natural vulcanizado, el material sintético tiene algunas otras propiedades, por ejemplo le ofrece una mejor resistencia a aceites en comparación que el

caucho natural. 4.2.3. “FELT”

La lana animal después de haber sido lavada y procesada es comprimida por abatanadores sentidos “felt-fullers” en presencia de vapor en una forma especial para producir una masa homogénea. En el uso prolongado, especialmente en proceso de la acción de remojo repetido y desecándose, el material se endurece y pierde sus propiedades elásticas. Por ese sentido sirve más para amortiguar la propagación de sonidos. Su fuerza compresiva es 80 kg/cm2; mientras el módulo elástico es 800 kg/cm2. 4.2.4. PVC (EL CLORURO DE POLIVINILO)

El mejor sustituto plástico para caucho es PVC. Este material del termoplástico es producido como un polvo blanco de acetileno por tratamiento apropiado con cloruro de hidrógeno. A temperaturas elevadas la presión mecánica puede convertir el material en una masa derretida homogénea. Es sólido a temperaturas debajo de 70 para 75 ° C y por encima de este punto el material tiene un reblandecimiento lento y gradual hasta 200 para 220 ° C, en esta temperatura es líquido en la superficie. El material es un buen aislador eléctrico, resistente para la acción de productos químicos, los ácidos, los álcalis y los aceites.

4.2.5. LA MADERA COMO UN MATERIAL QUE AMORTIGUA VIBRACIÓN

Su estructura inherente hace a la madera elástica hasta cierto punto, los tipos del pino son utilizados sólo cuando ninguna otra madera está disponible. Con madera dura de fundaciones de martillo más pequeña los bloques son confinados por bandas metálicas, para prevenir su expansión lateral. La madera como un apoyo elástico debería, con base en la experiencia práctica, ser usada sólo para pesos que no excedan las 2 toneladas. 4.2.6. LAS ESTRUCTURAS DE METAL Los soportes más elásticos efectivos son los resortes helicoidales y hechos de acero, es lo más conveniente para reducir masa, y absorber una gran parte de la energía de vibración. Las propiedades de este material son muy variables, dependiendo del diseño del resorte; diámetro de acero, propiedades del acero a usar, carga a soportar, etc.

4.3.

MATERIALES PARA PROTEGER LAS CIMENTACIONES DE LA MÁQUINA

El concreto armado de fundaciones debe ser a prueba de cualquier acción química dañina potencial (los ácidos, los álcalis, sales, etc.), los métodos utilizados para sellar fundaciones de la máquina son esencialmente lo mismo que esos comúnmente utilizados para otras estructuras de concreto. Los más importantes elementos para sellar son el asfalto natura, así como los productos que son comúnmente usados como los alquitranes. Estos materiales son satisfactoriamente resistentes ambos para las variaciones de temperatura y para humedad y, dependiendo de su composición, pueden ser aplicado frío así como también caliente. La madera debería ser fabricada con preservantes en contra de la descomposición y las influencias dañinas de clima. Los materiales adecuados son las soluciones de las sales de sustancias alcalinas, de cinc, mercurio, cobre, hierro y aluminio, así como también los materiales conteniendo aceite. Los recubrimientos previstos dan sólo protección moderada si el ambiente está muy húmedo.

5. REQUISITOS GENERALES PARA LA CIMENTACIÓN DE MÁQUINAS 5.1.

LOS SIGUIENTES REQUISITOS DEBERÍAN DE SER CUMPLIDOS DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL DISEÑO:

a. La cimentación debe poder satisfacer a los esfuerzos de corte debido a las cargas superpuestas (maquinas), ni causar la falla por aplastamiento. b. Los asentamientos deben estar dentro de los límites permisibles. c. El centro de gravedad de la máquina y el centro de gravedad de la cimentación deberían estar en la medida de lo posible en la misma línea vertical, esto para minimizar la excentricidad. d. Ninguna resonancia debería ocurrir, por lo tanto la frecuencia natural del sistema del suelo de fundación debería ser ya sea parte demasiado pequeña o demasiado grande comparada a la frecuencia de funcionamiento de la máquina. Para máquinas de baja velocidad, la frecuencia natural debería ser alta, y viceversa. e. Las amplitudes en condiciones de cargas de servicio deberían estar dentro de límites permisibles. Los límites permisibles son generalmente prescritos por los fabricantes de la máquina. f.

5.2.

Todas las partes rotativas de una máquina deberían estar distribuidas simétricamente para minimizar los momentos o fuerzas desequilibradas. Ésta es generalmente la responsabilidad de los ingenieros mecánicos.

LOS SIGUIENTES REQUISITOS DEBERÍAN SER CUMPLIDOS DESDE EL PUNTO DE VISTA PRÁCTICO: a. La cimentación de la máquina deberían ser separadas de componentes adyacentes por ejemplo de edificios, por medio de juntas de expansión. b. La cimentación debe ser protegida de los aceites de la máquina por medio del recubrimiento o el adecuado tratamiento químico. c. Las cimentaciones de las máquinas deben estar por debajo del nivel de las cimentaciones de los edificios anexos.

5.3.

RECOMENDACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN En la construcción deben seguirse las siguientes reglas especiales, además de las generales correspondientes a cimentaciones:

a. El concreto debe ser vertido de forma continua, sin juntas de construcción. b. El curado debe extremarse y su duración mínima será de una semana. c. Deben tomarse precauciones estrictas en caso de hormigonado en tiempo frío.

d. Todas las zonas destinadas a ser rellenadas con "grout" deben dejarse rugosas durante el hormigonado del cimiento. e. El "grout" no debe colocarse hasta que se haya terminado el curado del concreto del cimiento.

6. DATOS

PARA

EL PROYECTO

DE

CIMENTACIONES DE MÁQUINAS:

Los datos específicos requeridos para diseño varían dependiendo del tipo de máquina. Los requisitos generales de datos para el diseño de cimentaciones de máquinas son, sin embargo, como sigue: 

Velocidad y potencia de cada máquina.



Magnitud y posición de las cargas dinámicas.



Situación y detalles de los anclajes.



Límites de amplitud requeridos por la maquinaria.



Datos del suelo bajo el cimiento, en particular, rigideces en dirección vertical y horizontal y nivel freático. El cálculo de la respuesta del sistema cimiento-máquina debe basarse en el análisis modal, con un margen del + 25% para evitar fenómenos de resonancia. Deben disponerse armaduras en las tres direcciones principales del cimiento con una cuantía mínima de 50 Kg de acero por m3 de concreto.