TFG - Carlos Delgado - 2015-05-08-2

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción “Diseño de un sistema mecánico que permita ejecutar sostenimiento y hormigonado de la Bocatoma del Túnel de Carga del Proyecto Hidroeléctrico Mazar entre las elevaciones 2097msnm y 2153msnm”

TRABAJO FINAL DE GRADUACIÓN Examen Complexivo Previa la obtención del Título de: INGENIERO MECÁNICO

Presentado por: Carlos Enrique Delgado Uyaguari GUAYAQUIL – ECUADOR Año: 2015

AGRADECIMIENTO

A mi madre, a mi padre y mis maestros. De manera particular, al Ing. Federico Camacho por su apoyo en el desarrollo del informe de este Trabajo Final de Graduación.

DEDICATORIA

Dedico mi esfuerzo y logros a: mi Madre, María Elena Uyaguari Bassante, quien ha sido ejemplo de fuerza de voluntad; de manera particular, a mi abuela, Zoila Victoria Bassante, quien ha dado su vida por sus hijos y nietos; también, lo dedico a mi hijo, Carlos Alejandro, quien siempre será motor de amor y coraje en mi vida; a mi esposa, Phuong Anh Bui, quien es mi compañera de vida y mi hogar; lo dedico a mi hija, quien aún no nace, pero, ya es fuente de inspiración y esperanza en mi vida, y finalmente, dedico este triunfo a todas las personas con las que he tenido la fortuna de compartir, aprender y crecer (compañeros, amigos y hermanos de esta gran vida).

TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN

Ing. Jonathan León Torres VOCAL

Ing. Ernesto Martinez L. VOCAL

DECLARACIÓN EXPRESA “La responsabilidad del contenido desarrollado en la presente propuesta de examen complexivo me corresponde

exclusivamente;

y

el

patrimonio

intelectual del mismo a la ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL” (Reglamento de Graduación ESPOL)

Carlos Enrique Delgado Uyaguari

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RESUMEN

El presente Trabajo Final de Graduación está relacionado al Proyecto Hidroeléctrico Mazar, actualmente en servicio, ubicado entre los límites de las provincias de Azuay y Cañar. La ejecución del Proyecto Mazar contempla varios frentes de trabajo, como son las construcciones de: Presa, Casa de Máquinas, Túnel de Desvío, Túnel de Carga, Bocatomas de túneles, etc. Para posibilitar la construcción oportuna de la Bocatoma del Túnel de Carga entre las elevaciones 2097msnm y 2153msnm, se requiere ejecutar el hormigonado de una estructura apoyada sobre una cara rocosa muy vertical y de condiciones geológicas heterogéneas. Así, el objetivo del presente Trabajo Final de Graduación es la definición detallada del sistema mecánico que permita movilizar y alojar: equipos, personal, herramientas y materiales necesarios para las actividades de sostenimiento y hormigonado de la Bocatoma. Para lograrlo, se procedió con la siguiente metodología: Análisis de las condiciones topográficas, geológicas, operacionales y económicas; definición de modelos simplificados del sistema; definición de cargas externas y condiciones críticas de carga para cada elemento del sistema; definición de geometrías tridimensionales; y, verificación estructural de los elementos del sistema.

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La solución definida se ajustó a las condiciones analizadas, logrando diseñarse los siguientes subconjuntos del sistema: Plataformas de Operación; Sistema de Izado; y Poleas con su correspondiente Estructura de Apoyo, que permiten direccionar los cables de izado. Así, la aplicación de conceptos de resistencia de materiales; el uso de herramientas informáticas; y la experiencia laboral en: manufactura de estructuras y metodologías constructivas; proporcionan las herramientas adecuadas para desarrollar el diseño del sistema mecánico descrito.

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ÍNDICE GENERAL RESUMEN……………………………………………..……………………………ii ÍNDICE GENERAL……………………………………………………………..…..iv ABREVIATURAS...…………………………………………………………….…..vii SIMBOLOGÍA………....…………………………..……………...……………….viii ÍNDICE DE FIGURAS……………………………..…..………...………………...ix ÍNDICE DE TABLAS………………………..……………………………………..xii ÍNDICE DE PLANOS………………………………………….…………………..xiii

INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 1 CAPÍTULO 1 ................................................................................................... 3 1.

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ............................................................................... 3 1.1.

Condiciones Operacionales .............................................................................. 4

1.2.

Condiciones Topográficas ................................................................................ 6

1.3.

Condiciones Geológicas.................................................................................... 8

1.4.

Condiciones Económicas ................................................................................ 11

CAPÍTULO 2 ................................................................................................. 12 2.

DEFINICIÓN DE SOLUCIÓN ................................................................................. 12 2.1.

Definición Básica .............................................................................................. 12

2.2.

Modelo Simplificados ....................................................................................... 27

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2.3.

Definición de Procedimiento de Operación .................................................. 33

2.4.

Ubicación de Cargas y Reacciones .............................................................. 37

2.5.

Diagrama de Fuerzas ...................................................................................... 40

CAPÍTULO 3 ................................................................................................. 46 3.

DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ........................................................... 46 3.1.

Dimensionamiento de Plataforma de Operación......................................... 52

3.2.

Dimensionamiento de Elementos de Izaje ................................................... 59

3.3.

Dimensionamiento de Apoyo de Polea ......................................................... 61

3.4.

Dimensionamiento de Apoyo Principal ......................................................... 65

CAPÍTULO 4 ................................................................................................. 69 4.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES....................................................... 69 4.1

Conclusiones sobre Resultados .................................................................... 69

4.2

Recomendaciones ........................................................................................... 69

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................. 73 PLANOS ANEXO 1: Registro Fotográfico de Manufactura, Montaje y Operación del Sistema Mecánico. ANEXO 2: Resultados de Análisis en SAP2000 para Plataforma de Operación: Presentación Gráfica.

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ANEXO 3: Hoja de cálculo: Carga Critica de Pandeo elástico e inelástico; Dimensionamiento de pines y Dimensionamiento de placas pivote. ANEXO 4: Esquema de conexión de cables y accesorios. ANEXO 5: Procedimiento de Operación del sistema mecánico que permita ejecutar las actividades de hormigonado y sostenimiento de la Bocatoma del Túnel de Carga entre las Elevaciones 2097 y 2153. ANEXO 6: Descripción de cargas sobre la Plataforma de Operación. ANEXO 7: Selección de accesorios para cables. ANEXO 8: Descripción de Fundaciones

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ABREVIATURAS CMIHC: Constructora Mazar Impregilo-Herdoiza Crespo. LRFD: Load and Resistance Factor Design. ANSI: American National Standards Institute. AISC: American Institute of Steel Construction. ASCE: American Society of Civil Engineers. SEI: Structural Engineering Institute. CAD: Computer-aided design. SAP 2000: Structural Analysis Program 2000. EL.2097msnm: Elevación 2097 metros sobre el nivel del mar. EL.2153msnm: Elevación 2153 metros sobre el nivel del mar. Kg: Kilogramo. W: peso total de Plataforma de Operación. Ho.: Hormigón. WLL: Working Load Limit. [1], [2], [3]: Referencias bibliográficas. Ver BIBLIOGRAFIA. Rev.: Revision de plano.

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SIMBOLOGIA Para modelos estructurales simplificados:

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1: VISTA ISOMETRICA DE BOCATOMA TUNEL DE CARGA.........3 Figura 1.2: VISTA EN ELEVACION DE BOCATOMA TUNEL DE CARGA…..5 Figura 1.3: VISTA FRONTAL SOSTENIMIENTO REQUERIDO……….……...5 Figura 1.4: EXCAVACION DEL PORTAL DE LA BOCATOMA………………..7 Figura 1.5: HORMIGON DE LA BOCATOMA DEL TUNEL DE CARGA………8 Figura 1.6: CARACTERISTICAS GEOLOGICAS DE ZONA DE INTERES…..9 Figura 2.1: AREA NECESARIA PARA PLATAFORMA DE OPERACIÓN…..13 Figura 2.2: NIVELES DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN………………….15 Figura 2.3: ESQUEMA CONCEPTUAL DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN ………………..................................................................................................16 Figura 2.4: UBICACIÓN WINCHE Y POLEA EN FUNCION DE TOPOGRAFIA Y CABLE DE IZAJE………………………………………………………………..18 Figura 2.5: UBICACIÓN DE CARGAS EN MACIZO ROCOSO……………….19 Figura 2.6: MODELO TRIDIMENSIONAL DE TOPOGRAFIA Y ELEMENTOS DEL SISTEMA…...…………………………………………………………………20 Figura 2.7: ESQUEMA DE ELEMENTOS DEL SISTEMA DE IZAJE………..22 Figura 2.8: UBICACIÓN DE APOYO DE PLATAFORMA EN VOLADIZO…..23 Figura 2.9: MODELO TRIDIMENSIONAL DEL SISTEMA…………………….24 Figura 2.10: MODELO SIMPLIFICADO DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN APOYADA – VISTA FRONTAL…………………………………………………..27

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Figura 2.11: MODELO SIMPLIFICADO DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN SUSPENDIDA – VISTA FRONTAL………………………………………………28 Figura 2.12: MODELO SIMPLIFICADO DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN SUSPENDIDA – VISTA LATERAL……………………………………………….29 Figura 2.13: MODELO SIMPLIFICADO DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN APOYADA – VISTA LATERAL…………………………………………………..30 Figura 2.14: MODELO SIMPLIFICADO DE SISTEMA DE IZAJE…………..31 Figura 2.15: MODELO SIMPLIFICADO DE ESTRUCTURA SOPORTE DE POLEAS…………………………………………………………………………....32 Figura 2.16: CARGAS Y REACCIONES SOBRE PLATAFORMA – CONDICION DE IZAJE …………………………………………………………..37 Figura 2.17: CARGAS Y REACCIONES SOBRE PLATAFORMA – CONDICION DE OPERACON ESTATICA………………………………………38 Figura 2.18: CARGAS Y REACCIONES SOBRE PLATAFORMA – CONDICION CRITICA…………………………………………………………….39 Figura 2.19: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE PLATAFORMA EN CONDICION DE OPERACIÓN ESTATICA……………………………………..41 Figura 2.20: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE APOYO PRINCIPAL……41 Figura 2.21: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE PLATAFORMA EN CONDICION DE IZAJE……………………………………………………………42 Figura 2.22: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE POLEAS…………………42 Figura 2.23: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE ESTRUCTURA DE APOYO DE POLEAS………………………………………………………………………..43 Figura 3.1: MOTODOLOGIA VERIFICACION CON SOFTWARE CAD (AutoCAD) Y FEA (SAP 2000)……………………………………………………48 Figura 3.2: MOTODOLOGIA VERIFICACION DE MODELO ESTRUCTURAL 3D CON SOFTWARE CAD (AutoCAD) Y HOJAS DE CALCULO (Excel)…..49 Figura 3.3: MOTODOLOGIA VERIFICACION DE SECCIONES COMPUESTAS CON SOFTWARE CAD (AutoCAD) Y HOJAS DE CALCULO (Excel)……………………………………………………………………………....51

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Figura 3.4: MODELO 3D EN SAP 2000…………………………………………53 Figura 3.5: VERIFICACION ESTRUCTURAL DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN……………………………………………………………………….56 Figura 3.6: ESFUERZOS DE COMPRESION (EN ROJO)……………………57 Figura 3.7: SECCION COMPUESTA PARA ELEMENTO A COMPRESION EN ESTRUCTURA APOYO DE POLEA……………………………………………..62 Figura 3.8: ELEMENTOS APOYO PRINCIPAL………………………………..66

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1: DESCRIPCION DE CARGAS SOBRE PLATAFORMA DE OPERACIÓN……………………………………………………………………..26 Tabla 2.2: CARGAS APLICADAS PARA CONDICION DE IZAJE…………34 Tabla 2.3: CARGAS APLICADAS PARA CONDICION DE OPERACIÓN ESTATICA……………………………………………………………………...…35

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ÍNDICE DE PLANOS 2217E-PE-T16-005 Rev. b: Plano propiedad de Hidropaute / TUNEL DE CARGA / BOCATOMA / GEOMETRIA DE HORMIGON ENTRE EL.2.097 A EL.2.153. 2217E-PE-V14-001 Rev. b: Plano propiedad de Hidropaute / VERTEDERO / DISPOSICION GENERAL / EXCAVACION. Documento facilitado por Hidropaute a CMIHC. 2220E-ICD-T14-1011 Rev. 2: Plano propiedad de Hidropaute / TUNEL DE CARGA / ZONA DE LAS PILAS PARA LAS GUIAS DE LAS REJILLAS DE LA BOCATOMA / SOSTENIMIENTO. Documento facilitado por Hidropaute a CMIHC. 2220G-PE-R28-009 Rev. a1: Plano propiedad de Hidropaute / MAPA GEOLOGIO DEL PROYECTO HIDROELECTRICO MAZAR. Documento facilitado por Hidropaute a CMIHC. PM CM PI TC OT 027 - h1: SISTEMA DE IZAJE. DISPOSICION GENERAL DE ELEMTOS DEL SISTEMA MECANICO. PM CM PI TC OT 028 - h1: PLATAFORMA DE PERSONAL PARA INSTALACION DE ESTRUCTURA APOYO DE POLEAS. PM CM PI TC OT 027 - h5: PUNTALES HORIZONTALES PARA ESTRUCTURA APOYO DE POLEAS PM CM PI TC OT 027 - h7: PLACAS DE CONEXIÓN Y ANCLAJE PARA ESTRUCTURA APOYO DE POLEAS PM CM PI TC OT 026 – h1: PLATAFORMA DE OPERACIONES. PM CM PI TC OT 026 - h23: ESTRUCTURA APOYO DE POLEAS PM CM PI TC OT 026 - h27: ESTRUCTURA APOYO VOLADIZO

INTRODUCCIÓN En el Proyecto Hidroeléctrico Mazar, respaldando estas actividades de construcción, en la Constructora Mazar Impregilo-Herdoiza Crespo (CMIHC), estuvo el equipo de trabajo denominado OFICINA TECNICA, este equipo aportó en el diseño de metodologías y soluciones constructivas para los diferentes frentes de trabajo, además se encargó de administrar y complementar información, especificaciones y planos para construcción. En varias oportunidades, el diseño de una solución o metodología constructiva comprendía el diseño de sistemas mecánicos que faciliten o permitan los trabajos, lo que requería de un trabajo especializado y detallado que asegure una solución eficaz y confiable. Es así que el diseño detallado del sistema mecánico para las tareas de sostenimiento y hormigonado de la Bocatoma del Túnel de Carga entre las elevaciones EL.2097 y EL.2153 se convirtió en una tarea asignada al autor de este documento. La búsqueda de una solución a este proyecto obliga a la aplicación de información de diferentes disciplinas, entre las que destacan: Ingeniería Civil, Geología, Ingeniería Mecánica y Seguridad Industrial.

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La relación entre la información de Topografía, Geología, Resistencia de Materiales, Metodologías constructivas y Normas de Seguridad, dan una característica especial a este Trabajo Final de Graduación. Para lograr definir el sistema mecánico requerido se procede a definir los requerimientos o condiciones necesarias; luego, se elaborar un diseño conceptual mediante diagramas de fuerzas que den una idea del comportamiento; posteriormente, se definen o seleccionan los elementos que tengan la capacidad de soportar las cargas del sistema. Para la definición de las soluciones del sistema, se hará uso de: conocimientos en resistencia de materiales; experiencia en manufactura o montaje de estructuras; manejo de software CAD y CAE.

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CAPÍTULO 1 1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA De manera concreta, el sistema mecánico a definir debe permitir la construcción del cuerpo de hormigón armado descrito en la Figura 1.1 (color celeste), lo cual contiene: más de 1400m3 de hormigón, más de 90 toneladas métricas de barras de acero estriado, más de 38 toneladas métricas de piezas metálicas embebidas y cerca de 440 pernos de anclaje para sostenimiento.

Figura 1.1 - VISTA ISOMETRICA DE BOCATOMA TUNEL DE CARGA

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1.1. Condiciones Operacionales Para la ejecución de las actividades de sostenimiento y hormigonado se requiere un sistema de operación que cumplan las siguientes funciones: a.

Permitir actividades de hormigonado de la geometría definida en plano 2217E-PE-T16-005 Rev. B. Ver Figura 1.2.

b.

Permitir actividades de sostenimiento en las zonas definidas en plano 2220E-ICD-T14-1011 Rev. 2. Ver Figura 1.3.

c.

Soportar la carga de los equipos de perforación, encofrados, personal, herramientas, equipos de carga (winches) y cantidad controlada de materiales (acero de refuerzo y piezas fijas: perfiles de acero y placas de anclaje).

d.

Poseer dimensiones y elementos que permitan el fácil y seguro movimiento de personal, materiales, herramientas y equipos.

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HORMIGONADO

Figura 1.2 - VISTA EN ELEVACION DE BOCATOMA TUNEL DE CARGA

SOSTENIMIENTO

Figura 1.3 - VISTA FRONTAL SOSTENIMIENTO REQUERIDO

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1.2. Condiciones Topográficas Las condiciones topográficas del lugar donde se ejecutaran las actividades de sostenimiento y hormigonado se detallan en el plano 2217E-PE-V14-001 Rev. B. En las condiciones topográficas de la zona analizada destacan: la condición de cielo abierto, plataformas irregulares generadas en las obras de excavación del Vertedero, limitadas vías de acceso (desde arriba, por una plataforma en EL.2166 y desde abajo, por el Túnel de Carga), y limitado espacio adyacente para colocación de equipos de izaje. La compleja condición topográfica del lugar se describe más claramente en la Figura 1.4, donde se aprecia la zona de interés durante los trabajos de hormigonado de la Bocatoma del Túnel de Desagüe de Fondo (Inmediatamente bajo la Bocatoma del Túnel de Carga), y en la Figura 1.5 se observa terminado el hormigonado de primera etapa de la Bocatoma del Túnel de Carga hasta la EL.2097. Este hormigonado se realizó usando el Túnel de Carga como vía de acceso para personal, materiales, herramientas y equipos. Entre las fotos mencionadas se aprecia el avance del relleno y hormigonado de la Presa ubicada abajo y en frente de los Bocatomas. Además,

se

puede

distinguir

las

bermas

y

plataformas

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correspondientes a la excavación y sostenimiento del Vertedero que se encuentran sobre la Bocatoma del Túnel de Carga. Se puede apreciar también la inclinación casi vertical del macizo rocoso sobre el que se realizaron los trabajos de sostenimiento y hormigonado de la Bocatoma del Túnel de Carga.

Eje / Bocatoma

Excavación / Bocatoma

Figura 1.4 - EXCAVACION DEL PORTAL DE LA BOCATOMA

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Eje / Bocatoma

Hormigón / Bocatoma

Figura 1.5 - HORMIGON DE BOCATOMA TUNEL DE CARGA

1.3. Condiciones Geológicas Las características geológicas de la zona de interés se identifican en el plano 2220G-PE-R28-009 Rev. a1. Un detalle de esta información se aprecia en la Figura 1.6. Aunque se han efectuado los trabajos de sostenimiento en las zonas del Vertedero que están próximas al Bocatoma del Túnel de Carga, existe una zona rocosa débil justamente en el eje de la Bocatoma que limita su capacidad para soportar cargas concentradas.

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En el área de estudio aflora rocas pertenecientes a la Unidad Ingapata constituidas principalmente por Esquistos Cuarcíticos, Esquistos Cloríticos y Pizarras, en conjunto la roca en esta zona se encuentra poco alterada, aunque medianamente fracturada, presentando tres sistemas de discontinuidades además de la foliación: Foliación (180/75), Sistema A (05/52), Sistema B (17/35), Sistema C (106/65).

Bocatoma Eje / Bocatoma

Figura 1.6 - CARACTERISTICAS GEOLOGICAS DE ZONA DE INTERES

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El macizo rocoso constituye un medio discontinuo que esencialmente se compone de bloques sólidos separados por discontinuidades. A partir de esta definición, se puede deducir que las propiedades tensodeformacionales de los macizos rocosos son de naturaleza anisótropa. El comportamiento de un macizo rocoso, generalmente depende de las características de las discontinuidades que presenta, así como de la litología de la roca matriz. Aunque el macizo rocoso en esta zona del proyecto se encuentra poco alterado, con presencia casi nula de relleno en las fracturas o foliación, y predomina el afloramiento de Esquisto Cuarcítico (roca que presenta características geomecánicas de buenas a muy buenas), la presencia de fisuras sobre el shotcrete aplicado nos indica limitantes en la capacidad geomecánica de este macizo a cargas concentradas, comúnmente necesarias en el empleo de equipos de carga o izaje. Para habilitar esta zona a soportar cargas concentradas elevadas, el responsable de geología del proyecto recomienda una cimentación anclada al macizo rocoso para de esta manera interceptar diaclasas, foliación y líneas de debilidad existentes en el macizo rocoso. Además, se sugiere que cualquier estructura debería ser instalada lo más alejado del borde del macizo, es decir, ubicar apoyos o anclajes en zonas más cercanas al centro de gravedad del macizo rocoso.

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1.4. Condiciones Económicas La ejecución de las actividades para sostenimiento y hormigonado en este lugar de trabajo, debe cumplir su objetivo para que las actividades de montaje de las guías de reja puedan continuar de manera eficiente. Esto, con la finalidad de cumplir cronogramas y evitar multas por incumplimiento. Además, con la finalidad de reducir inversiones o costos de operación, se establece que la solución a seleccionar deberá tratar de emplear los winches que la constructora CMIHC disponía con capacidad de 24 toneladas cada uno. Es decir, el diseño está comprometido o limitado a la capacidad de estos winches. La selección y operación de este equipo no forma parte del presente informe. Las actividades de sostenimiento y hormigonado se deberán habilitar simultáneamente para obtener el rendimiento adecuado que permita ejecutar la construcción del cuerpo de hormigón en un tiempo no mayor de 3 meses. Además, los costos asociados al consumo de energía de estas actividades deberán minimizarse. Los costos de fabricación e ingeniería asociados a la solución seleccionada deberán ser minimizados.

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CAPÍTULO 2 2. DEFINICIÓN DE SOLUCIÓN 2.1. Definición Básica

El proceso de hormigonado de la estructura de hormigón descrita en el capítulo anterior se ejecutará por tramos en una secuencia ascendente, así, las etapas previas de hormigón sirven de apoyo para anclar paneles de encofrados, pasarelas, u otros elementos. De la misma manera, las etapas previas de hormigón de la Bocatoma se podrán utilizar para soportar los elementos de la estructura ascendente. La altura de cada tramo hormigonado se definió en tres metros debido a ser la altura típica de paneles de moldaje (encofrados) empleada. La plataforma se diseñó de tal manera que su piso esté a una distancia adecuada de los puntos del macizo rocoso para facilitar las perforaciones de sostenimiento. Además, la plataforma debía ser definida lo suficientemente cerca de la geometría por hormigonar para permitir los trabajos con encofrados.

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Roca

Panel/Encofrado

Plataforma

Figura 2.1 - AREA NECESARIA PARA PLATAFORMA DE OPERACIÓN Un esquema de estos conceptos se logra identificar si se usa la vista Planta B-B del plano 2217E-PE-T16-005 Rev b, y sobre este detalle se

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marca las plataformas necesarias. Ver Figura 2.1. La estructura que se definió mantiene simetría con respecto al eje de la Bocatoma del Túnel de Carga. Se buscó obtener un mayor rendimiento al permitir que la plataforma ejecute actividades simultáneas de Hormigonado y Sostenimiento en dos plataformas ubicadas en niveles separados con un valor cercano a 3.5m. Así, la estructura quedó definida con los siguientes niveles: Nivel Inferior: Actividades de Hormigonado Nivel Superior: Actividades de Sostenimiento Del plano 2220E-ICD-T14-1011 Rev 2, se extrae un detalle de la elevación frontal de la Bocatoma y se identifican en la Figura 2.2 los niveles mencionados de la plataforma con una vista en planta de cada nivel (diferenciadas por color).

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Nivel Superior / Actividades de Sostenimiento

Nivel Inferior / Actividades de Hormigonado

Figura 2.2 - NIVELES DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN

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Dado que se disponen de dos winches y existe simetría del cuerpo de hormigón, se decide separar los conjuntos de plataformas para reducir la cantidad de carga izada durante los repetidos desplazamientos ascendentes. La fuerza motriz que permita movilizar las plataformas se aplicara mediante winches y líneas de izaje conectadas a un solo punto de cada plataforma. Las Plataformas de Operación se montan sobre una estructura rodante que evitan el volteo del conjunto al estar apoyada y rodando sobre las caras de hormigón de etapas previas. Así, un esquema conceptual de las Plataformas de Operación se registra en la Figura 2.3. El elemento en color verde de esta Figura representa el vehículo sobre el cual se soportan y movilizan las plataformas de sostenimiento y hormigonado.

Ruedas

Ruedas

Figura 2.3 - ESQUEMA CONCEPTUAL DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN

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En relación al sistema de izaje: se usan los dos winches y poleas disponibles en el

taller de la constructora CMIHC, es decir, estos

elementos son una condición de entrada para el diseño del resto del sistema. Los winches tienen una capacidad de 24 toneladas, con un tambor para 100 metros de cable. Las poleas tienen el objetivo de definir la trayectoria del cable sin que éste toque los cuerpos de hormigón, perfil de roca o las mismas estructuras del sistema. Para reducir la carga sobre las poleas, el ángulo formado entre las líneas de izaje tangentes a la polea, debe ser lo más cercano a 180°. Por lo tanto, el winche debe ser colocado en una parte alta y la polea en una posición más baja y cercana al borde de la berma en EL. 2166. Así, los winches deben ser colocados en las áreas planas disponibles en la elevación EL.2180, sobre la Bocatoma del Túnel de Carga. La carga del winche se trasmite a una losa de hormigón armado que es anclada al macizo rocoso. El Winche se ubica al borde de la berma con el objetivo de evitar que el cable toque el borde de roca. Para una definición precisa de la ubicación del winche y polea se hace uso de la geometría de hormigón de la Bocatoma y de un levantamiento topográfico detallado de las zonas próximas a la berma sobre la que se

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asientan los winches (EL.2180). Lo mencionado se aprecia en la vista de perfil de la Figura 2.4.

Figura 2.4 – UBICACIÓN WINCHE Y POLEA EN FUNCION DE TOPOGRAFIA Y CABLE DE IZAJE En relación a la estructura que debe soportar las poleas, se buscó minimizar la afectación de cargas sobre el borde del macizo rocoso que presentaba limitaciones geomecánicas. Para esto, se procuró trasladar

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las cargas alejadas del borde y más cerca al centro de gravedad del macizo rocoso. Así, como se muestra en la Figura 2.5 y Figura 2.6, por medio de cables y columnas se buscó descomponer las cargas de tensión hacia varios pernos de anclaje y las cargas de compresión disipadas hacia vigas de hormigón armado más cercanas al centro de gravedad del macizo rocoso.

Figura 2.5 – UBICACIÓN DE CARGAS EN MACIZO ROCOSO.

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Es importante destacar que la altura de esta estructura está limitada con la línea del cable de izaje que pasa por la polea y sobre la estructura apoyo de pole hasta llegar tangente al tambor del Winche.

Winches

Cables/Izaje

Poleas

Estructura Apoyo de Poleas

Bocatoma EL.2153

Figura 2.6 - MODELO TRIDIMENSIONAL DE TOPOGRAFIA Y ELEMENTOS DEL SISTEMA

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Para que la plataforma no permanezca suspendida por cables durante las actividades de sostenimiento y hormigonado, se decidió colocar apoyos anclados en los tramos de hormigón de etapas previas. Para este caso se definió apoyos tipo ménsula y son denominados Apoyos Principales, ver Figura 2.7. Estos apoyos se colocarían luego de cada movimiento ascendente de la plataforma. Los anclajes para estos apoyos deben ser embebidos durante cada etapa de hormigonado. De esta manera, al apoyar la plataforma sobre elementos anclados al hormigón, y no suspendida sobre cables, se obtiene una condición de trabajo con menor riesgo laboral.

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Winches Poleas

Cables

Estructura Apoyo de poleas

Plataforma/Operación

Apoyos/Ruedas

Apoyos Principales

Figura 2.7 - ESQUEMA DE ELEMENTOS DEL SISTEMA DE IZAJE

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Se colocan apoyos adicionales bajo el extremo en voladizo de la plataforma para cuando la perforadora esté operando en su extremo. Para este caso, se selecciona un elemento tipo puntal (elemento a compresión) apoyado sobre las etapas previas de hormigón, ver Figura 2.8.

Apoyos/Puntal

Figura 2.8 - UBICACIÓN DE APOYO DE PLATAFORMA EN VOLADIZO Adicionalmente, se colocaron cables al extremo en voladizo de la plataforma que tienen como función minimizar las deflexiones cuando no estén colocados los puntales antes mencionados. El personal con herramientas se movilizaría en plataformas pequeñas semejantes a la descrita, pero con sistemas de izaje independientes al de la Plataforma de Operación, a estas plataformas se las define como Plataformas de Personal, Ver Figura 2.9.

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Figura 2.9 - MODELO TRIDIMENSIONAL DEL SISTEMA

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En este informe no se define el detalle de las Plataformas de Personal, ni su sistema de izaje, pero, una descripción general se presenta en el plano PM CM PI TC OT 028 - h1. Con respecto a la movilización de materiales: estos serían trasladados hacia la Plataforma de Operación mediante una torre grúa a ubicar en una berma cercana, en la elevación EL.2135, ver el plano PM CM PI TC OT 027 - h1. Pero, los materiales también podrían movilizarse por medio de un winche pequeño de capacidad de 1000kg montado en el Nivel Superior de la Plataforma de Operación. Este método alternativo se utiliza cuando el radio de acción de la torre grúa sea insuficiente. Considerando los elementos descritos y el tipo de trabajo pesado en que se emplearan, se optó por Acero al Carbono como material para todos los elementos del sistema, esto, debido a su relación Resistencia/Costo. Los ítems que aportan carga al sistema son los equipos, herramientas, materiales y personal se muestran en la Tabla 2.1. La descripción de cada ítem de esta tabla se especifica en el Anexo 6. El ítem 1 corresponde al peso propio de la Plataforma de Operación, que es el elemento que más carga aporta, y es el valor que debe ser optimizado por medio de los análisis descritos en el Capítulo 3.

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Tabla 2.1 - Cargas de Plataforma de Operación

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2.2. Modelo Simplificados Para analizar el comportamiento del sistema y determinar las características mecánicas necesarias para su correcto funcionamiento, fue necesario iniciar con modelos simplificados de los elementos que faciliten el diseño conceptual del sistema. En la Figura 2.10 se presenta el modelo de la Plataforma de Operación en una vista frontal, donde se representan con apoyos simples las ruedas, el Apoyo Principal y el Apoyo de Voladizo.

Figura 2.10 - MODELO SIMPLIFICADO DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN APOYADA – VISTA FRONTAL

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Cuando la Plataforma de Operación está suspendida por el cable de izaje, en el modelo simplificado no aparecen los elementos c y d. Esto se distingue en la Figura 2.11.

Figura 2.11 - MODELO SIMPLIFICADO DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN SUSPENDIDA – VISTA FRONTAL La identificación de los elementos de los modelos es la siguiente: Plataforma de Operación: a Cable de izaje: b Apoyo Principal: c

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Apoyo de Voladizo: d Ruedas: r

Figura 2.12 - MODELO SIMPLIFICADO DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN SUSPENDIDA – VISTA LATERAL En la Figura 2.12 y Figura 2.13 se aprecia la misma Plataforma de Operación en una vista lateral, en este plano, las ruedas en contacto con el hormigón previo también impiden el volteo alrededor del punto de izaje.

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Figura 2.13 - MODELO SIMPLIFICADO DE PLATAFORMA DE OPERACIÓN APOYADA – VISTA LATERAL Con los esquemas anteriores se logra simplificar el modelo para el cálculo de reacciones y el análisis del comportamiento estructural de la Plataforma de Operación. En un modelo más amplio se procede a simplificar los elementos de izaje, donde se incorpora una representación para los Winches, Poleas y la estructura Apoyo de Poleas. Se ilustra estos elementos en la Figura 2.14. Se identifica los elementos de izaje de la siguiente manera: Polea: i

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Winche: j

Figura 2.14 - MODELO SIMPLIFICADO DE SISTEMA DE IZAJE

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Los eslabones de la estructura Apoyo de Polea se identifican en Figura 2.15, así: Puntal Horizontal: e Puntal Vertical: f Cables de Puntales: g Cables a Roca: h

Figura 2.15 - MODELO SIMPLIFICADO DE ESTRUCTURA SOPORTE DE POLEAS

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2.3. Definición de Procedimiento de Operación A continuación se presenta un listado simplificado de las actividades que se ejecutan sobre la Plataforma de Operación: 1. Excavación o Corte de Roca (zonas en que se requiera) 2. Perforaciones y Colocación de Pernos 3. Colocación de Armadura 4. Colocación de Encofrados 5. Vaciado de Hormigón (Hormigonado) 6. Desencofrado Adicionalmente, se define un listado simplificado de las actividades para la movilización de la plataforma: 1. Salida de Personal de Plataforma de Operación 2. Izaje de Plataforma de Operación 3. Apoyo de Plataforma de Operación 4. Ingreso de Personal a Plataforma de Operación. Se destaca que existen dos condiciones de operación bien diferenciadas. Estas condiciones o estados de operación se definen así: Condición de Izaje y Condición de Operación Estática. Un mayor detalle del procedimiento de operación de este sistema mecánico se describe en Anexo 5. La diferencia básica entre ambas condiciones de operación está en la cantidad de carga aplicada sobre la plataforma, la distribución de cargas

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y la acción de distintos puntos de apoyo o puntos de izaje. Para definir estas condiciones de operación se hace uso de las cargas descritas en la Tabla 2.1, asignando un porcentaje de aplicación a cada uno de los ítems de esta tabla y adicionalmente se identifica si cada ítem se refiere a una carga muerta o una carga viva. La Condición de Izaje se caracteriza por la reducción de carga sobre la plataforma, la paralización de todas las operaciones sobre la plataforma, retiro de todo el personal y la aplicación de las medidas de seguridad antes y durante el movimiento. Esta condición de carga se resume en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2 – Cargas Condición de Izaje

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La Condición Estática de operación se caracteriza por la colocación de apoyos rígidos y la asignación de cargas sobre diversos lugares de las plataformas en función de las actividades realizadas durante la operación. En esta condición se desarrollan las actividades de sostenimiento (perforación, colocación e inyección de anclajes), colocación de varillas de acero de armadura, colocación de piezas fijas, colocación de encofrados, vaciado de hormigón y desencofrados para cada etapa. Esta condición se resume en la Tabla 2.3. Tabla 2.3 – Cargas Condición de Operación

Al analizar las secuencias de trabajo se detectó que la condición crítica del sistema se presenta cuando se requiere colocar los anclajes de sostenimiento tipo 2b, que son los más alejados al eje de la Bocatoma, es decir, cuando se coloca carga en el extremo de la plataforma superior en voladizo. Los valores de la aplicación de cargas en esta condición

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son controlados por la secuencia de trabajo y son los mismos que fueron descritos en la Tabla 2.3. La ubicación de las cargas descritas se representa detalladamente en los esquemas de la Sección 2.4 de este informe. Con las definiciones anteriores, en el Anexo 7 se presenta un Procedimiento de Operación que incluye consideraciones de Seguridad y busca minimizar los riesgos asociados con la operación del sistema descrito en este informe.

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2.4. Ubicación de Cargas y Reacciones Las cargas aplicadas en la plataforma dependen de la condición de operación descrita en la sección anterior. En la Condición de Izaje se buscará distribuir las herramientas y encofrados lo más próximo a la línea de acción del cable de izaje. Esto se ilustra en la Figura 2.16. Es importante destacar que las velocidades de izaje son muy bajas, por tanto este modelo se analiza como comportamiento estático.

Figura 2.16 - CARGAS Y REACCIONES SOBRE PLATAFORMA – CONDICION DE IZAJE

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En la Condición de Operación Estática la carga se distribuye a lo largo de las plataformas (incluido Personal de operación) y se ha colocado el Apoyo Principal. Esto se ilustra en la Figura 2.17.

Figura 2.17 - CARGAS Y REACCIONES SOBRE PLATAFORMA – CONDICION DE OPERACON ESTATICA

La Condición Crítica es similar a la Condición de Operación Estática, pero la perforadora se encuentra operando en el extremo en voladizo del Nivel Superior de la Plataforma de Operación. Debido a esto, se coloca el Apoyo de Voladizo. Esta condición se ilustra en la Figura 2.18.

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Figura 2.18 - CARGAS Y REACCIONES SOBRE PLATAFORMA – CONDICION CRITICA

Las cargas de la plataforma originan fuerzas internas en el resto de elementos del sistema mecánico analizado. Por este motivo, en la siguiente sección se describen estas fuerzas y se las cuantificara en relación al peso de la plataforma y su carga contenida. Este valor de carga total distribuida sobre la Plataforma de Operación, incluyendo su propio peso, se denominará “W”.

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2.5. Diagrama de Fuerzas En esta sección se presentan los Diagramas de Fuerza que nos permitan cuantificar las fuerzas internas en cada elemento del sistema. Para calcular las fuerzas en cada elemento del sistema se hace uso del método vectorial gráfico. Es decir, se traslada cada vector de fuerza con su correspondiente dirección y magnitud a escala, hasta formar un triángulo dónde uno de los lados es la incógnita a definir. En todos los diagramas de fuerza a presentar, la relación entre los vectores se logra asignando un valor unitario a la longitud del vector “W”. Ver Figura 2.18, Figura 2.19, Figura 2.20, Figura 2.21, Figura 2.22 y Figura 2.23. Así, la longitud de cada vector del triángulo formado representa el coeficiente de relación entre “W” y cada uno de los otros vectores. Así, obtenemos los valores de cada fuerza como una expresión algebraica en función del valor de “W”. Para simplificar este procedimiento grafico se emplea un software CAD. A continuación los diagramas de todos los elementos del sistema:

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Figura 2.19 - DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE PLATAFORMA EN CONDICION DE OPERACIÓN ESTATICA

Figura 2.20 - DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE APOYO PRINCIPAL

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Figura 2.21

Figura 2.22 - DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE POLEAS

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Figura 2.23 - DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE ESTRUCTURA DE APOYO DE POLEAS

A continuación una descripción de los valores de las fuerzas mencionadas en los diagramas anteriores: W: Carga total distribuida sobre la Plataforma de Operación, incluyendo su propio peso. El valor de “W” sería el total indicado en Tabla 2.2 o Tabla 2.3. T: Tensión que actúa sobre la línea de izaje, la cual es paralela a la cara de hormigón de inclinación H1:V2.5.

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N: Reacciones sobre las ruedas que actúan perpendiculares a la cara de hormigón de inclinación H1:V2.5. Con “N” se representa la sumatoria de reacciones sobre las ruedas, esta resultante también es perpendicular a la cara de hormigón de pendiente H1:V2.5. Valores individuales de N1 o N2 pueden ser obtenidos del resultado de análisis FEA descrito en Capitulo 3. Ap: Reacción/Carga en el Apoyo Principal, y es paralela a la cara de hormigón con pendiente H1:V2.5. Mt: Tensión generada en el eslabón superior del Apoyo Principal. Mc: Compresión generada en el eslabón inferior del Apoyo Principal. Rp: Reacción/Carga sobre la polea, la cual es generada por el contacto del cable de izaje y se transmite a su pin o eje. Tp: Tensión en el Cable entre Puntales de la estructura Apoyo de Poleas. Pn: Compresión en el Puntal Horizontal de la estructura Apoyo de Poleas. Tr: Tensión en el Cable a Roca de la estructura Apoyo de Poleas. Pv: Compresión en el Puntal Vertical de la estructura Apoyo de Poleas.

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Los valores de cargas, reacciones o fuerzas internas de cada elemento, para la solución definida en este capítulo, se resumen así: Durante Condición de Izaje: 𝑇 = 0.93 × 𝑊 = 0.93 × 12725𝑘𝑔 = 11834𝑘𝑔

(1)

𝑁 = 0.37 × 𝑊 = 0.37 × 12725𝑘𝑔 = 4708𝑘𝑔

(2)

𝑅𝑝 = 0.62 × 𝑊 = 0.62 × 12725𝑘𝑔 = 7889𝑘𝑔

(3)

𝑇𝑝 = 0.85 × 𝑊 = 0.85 × 12725𝑘𝑔 = 10816𝑘𝑔

(4)

𝑃ℎ = 1.21 × 𝑊 = 1.21 × 12725𝑘𝑔 = 15397𝑘𝑔

(5)

𝑇𝑟 = 0.78 × 𝑊 = 0.78 × 12725𝑘𝑔 = 9926𝑘𝑔

(6)

𝑃𝑣 = 0.64 × 𝑊 = 0.64 × 12725𝑘𝑔 = 8144𝑘𝑔

(7)

Durante Condición de Operación: 𝐴𝑝 = 0.93 × 𝑊 = 0.93 × 15177𝑘𝑔 = 14144𝑘𝑔

(8)

𝑁 = 0.37 × 𝑊 = 0.37 × 15177𝑘𝑔 = 5615𝑘𝑔

(9)

𝑀𝑡 = 0.55 × 𝑊 = 0.55 × 15177𝑘𝑔 = 8347𝑘𝑔

(10)

𝑀𝑐 = 1.08 × 𝑊 = 1.08 × 15177𝑘𝑔 = 16391𝑘𝑔

(11)

46

CAPÍTULO 3 3. DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS En este capítulo se presentan los procesos y metodologías empleados que permiten dimensionar los elementos estructurales o permiten verificar su resistencia ante la acción de las fuerzas internas definidas en el Capítulo 2. Para el dimensionamiento de los elementos estructurales se emplea el criterio de amplificación para cargas de impacto en maquinaria de elevadores, según lo indicado en sección 4.7 del documento ASCE/SEI 705 [2]. Es decir, se amplificarán las cargas vivas y muertas en un 100%. Factores de reducción de resistencia se pueden aplicar dependiendo del tipo de carga actuando sobre cada elemento según lo indicado en ANSI/AISC 360-05 [1]. Es importante destacar que durante el izaje de la Plataforma de Operación no existe personal sobre la misma. Además, ésta estructura operará solo por 3 meses, 20 personas estarán trabajando sobre la misma durante 12 horas al día. Se asumirán cargas laterales, aplicadas puntualmente en el nivel superior e inferior de la Plataforma de Operación. Estas tendrán el objetivo de suplantar los efectos de carga sísmica o carga de viento. El

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valor de cada una de estas cargas laterales se asumirá en un 5% del valor “W” definido en el Capítulo 2. Las consideraciones descritas anteriormente tienen la finalidad de simplificar el modelo y cálculos, pero, también pretenden obtener un resultado conservador. Para reducir los tiempos de diseño se emplearon herramientas de análisis estructural por elementos finitos en conjunto con cálculos algebraicos simples de modelos estructurales aproximados. Para la Plataforma de Operación, el elemento objetivo del sistema, que consiste en una estructura de geometría muy compleja, se emplea AutoCAD para la modelación alámbrica tridimensional de las alternativas planteadas, y se emplea el software de análisis estructural, SAP 2000, para la verificación de resistencia del modelo tridimensional. En este informe solo se presenta la verificación del último modelo evaluado, el cual fue definido después de un proceso de iteraciones que comprendía el análisis de la estructura con diferentes geometrías, ubicación de cargas y perfiles metálicos. Esta metodología se representa en la Figura 3.1.

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Figura 3.1 – MOTODOLOGIA VERIFICACION CON SOFTWARE CAD (AutoCAD) Y FEA (SAP 2000)

Para el cálculo de propiedades geométricas en perfiles compuestos se empleó el comando “Mass/Region Properties” del software AutoCAD, obteniéndose: Momentos de Inercia y Radios de Giro alrededor de los ejes

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“x” e “y”. Estos valores se ingresaban en hojas de cálculo para verificaciones de resistencia hasta obtener la sección definitiva por iteraciones de diferentes geometrías. Esta metodología se representa en la Figura 3.2.

Figura 3.2 - MOTODOLOGIA VERIFICACION DE MODELO ESTRUCTURAL 3D CON SOFTWARE CAD (AutoCAD) Y HOJAS DE CALCULO (Excel)

50

Para el dimensionamiento de los elementos del Apoyo Principal, Sistema de Izaje y Apoyo de Poleas se aplican ecuaciones de para esfuerzos axiales (12), flexión (13), corte (14) y las ecuaciones de carga critica de pandeo para columnas largas, intermedias o cortas (15), (16) y (17):

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Estas ecuaciones se describen en textos de Resistencia de Materiales o Mecánica de Solidos, estas se encuentran resumidas en la referencia [4]. Estas ecuaciones se ingresan y organizan en varias hojas de cálculo, lo que permite una verificación ágil, simplemente, reingresando las

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propiedades geométricas de cada elemento analizado hasta obtener el resultado de resistencia deseado. Las hojas de cálculo empleadas se muestran en el Anexo 3. Esta metodología se representa en la Figura 3.3.

Figura 3.3 - MOTODOLOGIA VERIFICACION DE SECCIONES COMPUESTAS CON SOFTWARE CAD (AutoCAD) Y HOJAS DE CALCULO (Excel)

52

Los valores de cargas en los distintos elementos están definidos en el Capítulo 2, Sección 2.5. A estos valores debemos aplicar el factor de amplificación de carga igual a 2. Para la definición de determinados elementos del sistema de izaje se emplearon catálogos de fabricantes o proveedores. La selección se realiza según las propiedades de resistencia o cargas límites de trabajo (WLL) especificadas por el fabricante. 3.1. Dimensionamiento de Plataforma de Operación

Se realizaron varios modelos hasta definir una estructura donde todos esos elementos soporten las cargas y tengan elementos de bajo peso para facilitar el montaje y que el peso total no supere la capacidad del winche disponible. Por tal motivo, se buscó trabar con perfileria tubular de pared delgada y sección, circular, cuadrada o rectangular. En la Figura 3.4 se ilustra el modelo de las Plataformas de Operación, la otra plataforma es simétrica a la indicada con respecto al eje vertical de la Bocatoma. La condición de carga crítica es la Condición de Operación cuando la perforadora estaba ubicada al extremo del voladizo. Ver Tabla 2.3. De manera conservadora, la combinación de cargas asumida en el análisis con SAP 2000 fue: 2.0D + 2.0L + Eh. Donde, D representa las cargas muertas, L representa las cargas vivas y Eh representa cargas

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laterales aplicadas en nivel superior y nivel inferior de la Plataforma de Operación.

Figura 3.4 – MODELO 3D EN SAP 2000 Los resultados generales del análisis se muestran en el Anexo 2. Una descripción general de los resultados más destacados consiste en lo siguiente:

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i. Ningún elemento de la Plataforma de Operación es sometido a esfuerzos superiores al 50% de su capacidad. ii. Para la combinación de cargas asumidas en el análisis con el software SAP2000, los valores de las reacciones mayores que podrían actuar sobre la Plataforma de Operación son: Normal a plano/Bocatoma: Ni = 15630 kg (plataforma-rueda-hormigón) Normal a plano/Pilas:

Li=

12120 kg (plataforma-rueda-hormigón)

Apoyo Principal: Ap = 31860 kg (plataforma-ménsula) Apoyo de Voladizo: Av = 4820 kg (plataforma-puntal-hormigón) iii. Máxima carga a Compresión es 20800kg en el perfil identificado como Frame Object 1667. El esfuerzo combinado generado en este elemento NO supera el 60% de lo que es capaz de soportar. Este perfil compuesto consta de un tubo cuadrado 100x100x3 con dos perfiles 100x50x3 soldados en las caras libres. Fue reforzado en base al material disponible. iv. Máxima Carga a Tensión es 11000kg en el perfil identificado como Frame Object 174. El esfuerzo combinado generado en este elemento NO supera el 60% de lo que es capaz de soportar.

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v. Máxima tensión en cables de 7/8” es 3750 kg en caso de no estar colocado el puntal en el voladizo. Los resultados detallados de cada elemento se pueden revisar en los archivos digitales del software SAP2000. En la Figura 3.5 se ilustran los resultados de resistencia estructural en el software SAP2000. Se destaca que ninguno de los elementos soporta esfuerzos superiores al 60% de su resistencia (intervalo de color celeste de la escala).

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Figura 3.5 – VERIFICACION ESTRUCTURAL DE PLATAFORMA DE OPERACION

Los valores altos de compresión en los elementos de la Plataforma de Operación representan la principal solicitación de esfuerzo. Los

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elementos identificados de color rojo en la Figura 3.6 son los que mayor esfuerzo axial soporta.

Figura 3.6 – ESFUERZOS DE COMPRESION (EN ROJO)

Los resultados gráficos descriptos anteriormente corresponden al último modelo definido. El detalle de identificación de todos estos elementos

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estructurales se encuentran en los planos PM CM PI TC OT 026 - h1 hasta h30 (30 láminas de dibujo). Se elaboró esta gran cantidad de dibujos para que se facilite la construcción de esta estructura tridimensional por medio de piezas planas tipo celosía que se soldarían entre sí: algunas en taller de manufactura y otras en el mismo sitio de inicio de operaciones. Por simplificación de este informe de Trabajo Final de Graduación, no se incluyen todas las láminas que identifican cada perfil de esta Plataforma de Operaciones, pero, se incluye el plano PM CM PI TC OT 026 - h1 que da un criterio general de la complejidad tridimensional de esta estructura. Los perfiles empleados fueron, perfiles se sección cuadrada o rectangular de ancho y alto con valores entre 100mm y 50mm, con espesores entre 4mm y 2mm. Los tamaños de las piezas de las Plataformas de Operación estaban limitados por el tamaño del Túnel de Carga por donde accedería el camión y la grúa necesarios para el transporte de las piezas de acero. Las piezas que correspondían al piso de las plataformas se soldarían en sitio y su colocación fue manual ya que no habría acceso de maquinaria o grúas en esta zona cuando ya fuera armada la parte inferior de la plataforma (ver Anexo 1 registro fotográfico del montaje y operación).

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3.2.

Dimensionamiento de Elementos de Izaje

En esta sección se describen los elementos del sistema de izamiento. Estos elementos son: 1)

Winche

2)

Cable (Rollo)

3)

Estrobo de extremo de cable

4)

Grillete

5)

Gancho

Como se mencionó en capítulos anteriores, los winches eran equipos disponibles en la constructora. Es decir, eran una condición del diseño del sistema. El winche tenía una capacidad de izaje de 24 toneladas. Para la instalación de los winches fue necesaria la elaboración de una fundación de hormigón armado anclada al macizo rocoso. Ver Anexo 9 para una descripción de las fundaciones definidas para los winches Note que la carga a usar para verificar los elementos de izaje corresponde a la tensión generada por peso total de la plataforma de operación en la Condición de Izaje. Es decir, con carga total W = 12725kg, aplicando el factor de incremento de carga de impacto en la ecuación (1) tenemos La tensión requerida en cable es: (𝑃𝑢 ) 𝑇 = 0.93 × 𝑊 × 2 = 0.93 × 12725 𝑘𝑔 × 2 = 23669𝑘𝑔 (18)

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Con este valor, seleccionamos el cable a colocar en el tambor de cada winche. Se procede a la verificación de Línea de izaje usando Cable 1” 6x36WS+IWRC: 𝑃𝑛 = 48300 kg (Carga mínima de rotura de Cable 1”) De ANSI/AISC 360-05 [1], Sección D2 tenemos: 𝜙𝑡 × 𝑃𝑛 = 𝜙𝑡 × 48300 = 36225 ; 𝜙𝑡 = 0,75 Se verifica que (𝑃𝑢 ) 𝑇 < 𝜙𝑡 × 𝑃𝑛 Ver en Anexo 7 las tablas del proveedor para los accesorios seleccionados para línea de izaje. Un esquema de cómo se conectan los cables y accesorios se muestra en Anexo 4. Los cálculos de pines y placas de conexión tipo pivote (orejas), se calcularon con las ecuaciones (12) y (14), se aplicaran factores de carga mayores de 2. En el Anexo 3 se muestra una hoja de cálculo que vincula los datos de pines con los de placas pivote. De esta manera se definieron los diámetros de pines y dimensiones de placas. Para información de las Fundaciones de Winche, ver Anexo 8.

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3.3. Dimensionamiento de Apoyo de Polea La estructura Apoyo de Poleas se dimensiona en función de la carga “Rp” que recibe cuando la Plataforma esta en Condición de Izaje. Esta carga se trasmite a la estructura por medio de la interacción de Polea “i” con el Pin y Placas de la articulación donde ésta se apoya. Amplificando, por un factor de 2, los valores de las fuerzas internas definidas en el capítulo anterior, obtenemos las resistencias o capacidades de carga requeridas en cada elemento usando las ecuaciones (4), (5), (6) y (7): (𝑃𝑢 ) 𝑇𝑝 = 2 × 0.85 × 𝑊 = 21632 𝑘𝑔

(19)

(𝑃𝑢 )𝑃ℎ = 2 × 1.21 × 𝑊 = 30794 𝑘𝑔

(20)

(𝑃𝑢 ) 𝑇𝑟 = 2 × 0.78 × 𝑊 = 19852 𝑘𝑔

(21)

(𝑃𝑢 )𝑃𝑣 = 2 × 0.64 × 𝑊 = 16288 𝑘𝑔

(22)

Luego del análisis de varias alternativas de secciones tipo columna, se decidió emplear la configuración mostrada en la Figura 3.7. Las dos simetrías de la sección transversal de las columnas buscan asegurar su buen comportamiento sobre ejes “x” e “y”.

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Figura 3.7 – SECCION COMPUESTA PARA ELEMENTO A COMPRESION EN ESTRUCTURA APOYO DE POLEA

Elementos a Compresión: Para el Puntal Horizontal (2UPN 300, separadas 37cm, longitud 974cm), se emplea el valor de (20). Del resultado de ecuaciones (15) a (17), ver hoja de cálculo en Anexo 3, se obtiene: Carga Crítica de Pandeo = 77244 kg Factor de Seguridad = 2.5 No se incluye en este informe detalle del análisis de la esbeltez de los elementos de celosía que unen los perfiles UPN 300 para crear la columna compuesta. Pero, estos perfiles angulares fueron verificados

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empleando un análisis en SAP200 que no se incluye en este informe. El empleo de placas laterales para formar una columna tipo cajón, podría ser una solución constructiva más simple. Por simplificación constructiva, para los Puntales Verticales se selecciona la misma sección transversal empleada para los Puntales Horizontales, aun cuando la resistencia requerida (𝑃𝑢 )𝑃𝑣 , es menor para los verticales. Por este motivo, considerando que las columnas de mayor longitud son los Puntales Horizontales, la verificación de resistencia anterior implica la verificación de resistencia al pandeo de los Puntales Verticales, elementos que son detallados en el plano PM CM PI TC OT 027 - h6. Elementos a Tensión: Como se definió en ecuaciones (19) y (21), las capacidades de carga requeridas en los elementos a tensión son las siguientes: (𝑃𝑢 ) 𝑇𝑝 = 21632 𝑘𝑔 (𝑃𝑢 ) 𝑇𝑟 = 19852 𝑘𝑔 Dado que los valores de tensión altos implicarían accesorios o elementos tensores muy grandes, que difícilmente se encuentran en nuestro mercado local, se decide reemplazar cada elemento a tensión por dos elementos paralelos dispuestos simétricamente con el eje de

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la polea. Así, por simplificación, se puede estimar las cargas sobre 1

cada elemento con un valor igual a (𝑃𝑢 ) 𝑇 = (𝑃𝑢 ) 𝑇𝑝 = 10816𝑘𝑔, siendo 2

éste el valor más alto identificado sobre los elementos a tensión en la Estructura Apoyo de Poleas. Para cables y accesorios en tensión Ver en Anexo 7 las tablas del proveedor para los accesorios seleccionados. Para información de las Fundaciones de estructura Apoyo de Poleas, ver Anexo 8. Un esquema de cómo se conectan los cables y accesorios se muestra en Anexo 4. Los detalles de la estructura Apoyo de Poleas están definidos en láminas de plano PM CM PI TC OT 027, de los cuales solo se anexan los más generales. Los cálculos de pines y placas de conexión tipo pivote (orejas), se calcularon con las ecuaciones (12) y (14), se aplicaran factores de carga mayores de 2. En el Anexo 3 se muestra una hoja de cálculo que vincula los datos de pines con los de placas pivote. De esta manera se definieron los diámetros de pines y dimensiones de placas.

65

3.4. Dimensionamiento de Apoyo Principal Después que la estructura se posicionara para cada nueva etapa de hormigonado, se debía colocar el Apoyo Principal que serviría para soportar el peso de la estructura con todos los materiales, equipos y el personal de operaciones. Por este motivo, el diseño de este Apoyo Principal era muy importante y delicado, ya que, la vida de muchas personas se sostenía sobre este elemento. Es decir, debía diseñarse con factores de seguridad elevados. Pero, este Apoyo Principal debía ser fácil de montar manualmente. Por lo tanto, se decidió usar una ménsula que se pueda instalar por piezas apernadas y con pivotes. De esta manera se define el diseño mostrado en la Figura 3.8.

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Figura 3.8 – ELEMENTOS APOYO PRINCIPAL

Estas ménsulas constan de: 4 placas pivotantes ancladas al hormigón (elementos A y C de Figura 3.8), 2 eslabones inferiores tipo puntales (elemento B de Figura 3.8), 2 eslabones superiores tipo vigas (elemento D de Figura 3.8),

y una viga que distribuye la carga

concentrada “Ap” hacia esta ménsula compuesta (elemento E de Figura 3.8). En la sección 2.5 se determinó que la fuerza sobre el Apoyo Principal es “Ap” y su valor viene dado por ecuación (8), amplificando su valor por 2, tenemos:

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(𝑃𝑢 )𝐴𝑝 = 0,93 × 𝑊 × 2 = 0,93 × 12725𝑘𝑔 × 2 = 23668𝑘𝑔

(23)

Esta carga actúa directamente sobre el elemento “E” de la Figura 3.8. Este elemento se definió con doble viga UPN 240. La carga definida por (9) se descompone en dos ménsulas, es decir, la carga teórica para cada ménsula es: (𝑃𝑢 )𝐴𝑝 /2 =

23668𝑘𝑔 2

= 11834𝑘𝑔 (24)

Además, la carga de cada ménsula se descompone como se ilustra en Mt y Mc, cuyos valores vienen dados por ecuaciones (9) y (10). Aplicando el factor de amplificación de carga igual a 2 y distribuyendo para dos ménsulas, tenemos: (𝑃𝑢 )𝑀𝑡 /2 = 0.55 × 𝑊 × 2/2 = 8347𝑘𝑔

(25)

(𝑃𝑢 )𝑀𝑐 /2 = 1.08 × 𝑊 × 2/2 = 16391𝑘𝑔

(26)

El elemento D de Figura 3.8, que soporta tensión dada por (25), se define con doble viga UPN 100. De ANSI/AISC 360-05 [1], Sección D2 tenemos: 𝜙𝑡 × 𝑃𝑛 = 𝜙𝑡 × 𝐹𝑢 × 𝐴𝑒 = 0.75 × 4080 × 9 = 27540𝑘𝑔 ; Se verifica que (𝑃𝑢 )𝑀𝑡 < 𝜙𝑡 × 𝑃𝑛

𝜙𝑡 = 0,75

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El elemento B de Figura 3.8, que soporta la compresión dada por (26), se definió con Tubería de Acero Schedule 40. De ecuaciones (15) a (17), ver hoja de cálculo en Anexo 3, se obtiene: Carga Crítica de Pandeo = 36800kg Factor de Seguridad = 2.2 Los cálculos de pines y placas de conexión tipo pivote (orejas), se calcularon con las ecuaciones (12) y (14), se aplicaran factores de carga mayores de 2. En el Anexo 3 se muestra una hoja de cálculo que vincula los datos de pines con los de placas pivote. De esta manera se definieron los diámetros de pines y dimensiones de placas.

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CAPÍTULO 4 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1 Conclusiones sobre Resultados 1. Se logró evitar la aplicación de cargas altas de compresión sobre el borde del macizo rocoso debilitado. La carga fue transmitida más cerca del centro de gravedad del macizo rocoso, empleando para esto un sistema articulado con cables y columnas. 2. Obtener valores prudentes de reacciones sobre la Plataforma de Operación es la razón por la cual se justificó ampliar la separación entre ruedas, para así obtener un momento que impida volteo con una alta “palanca” y un bajo valor de reacciones. 3. La descomposición de las cargas de una estructura hacia sus apoyos en forma de tensión y compresión pura, facilita controlar el impacto en las zonas donde se ancla o apoya la estructura. Así, se logró instalar el apoyo de poleas anclado en zonas de macizo rocoso más confiable. 4.2 Recomendaciones El montaje y operación del sistema descrito evidenció oportunidades de mejora que se describen a continuación: a) Modificar el diseño de la plataforma para que se facilite la instalación del Apoyo Principal. Para esto, podría analizarse que

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los elementos del Apoyo principal estén conectados mediante articulaciones a la parte inferior de Plataforma de Operación, de ser posible, en la misma posición que se anclará al hormigón para soportar el peso de toda la plataforma y su carga. De esta manera, se busca evitar el traslado y posicionamiento del Apoyo Principal. Además, incorporar un dispositivo autónomo que realice el acople, se eliminaría el riesgo sobre personas durante esta operación. b) Incorporar en el diseño, elementos que faciliten el montaje de la plataforma. Se propone, por ejemplo, incorporar placas pivote en los módulos de la estructura en voladizo de plataforma superior, para así facilitar el armado y soldadura in-situ. c) Incorporar elementos que minimicen las oscilaciones en caso de emplearse un diseño similar en zonas de alta probabilidad de sismos. d) Extender el piso de la plataforma hacia la superficie irregular de roca próxima. Así, se podrán instalar, con mayor facilidad, los paneles de encofrado de madera que se ajustan a las irregularidades del macizo rocoso. Para esto, podría analizarse el uso de una extensión telescópica o extensión con bisagras. e) Incorporar un dispositivo de izaje de baja capacidad (200-300kg) sobre la Plataforma del nivel superior para facilitar maniobras

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finas durante la instalación de piezas metálicas embebidas (perfiles o tuberías). f) Incorporar elementos o dispositivos auxiliares que mejoren la seguridad y las condiciones laborales. Por ejemplo: mallas para reducir el impacto visual de altura, sistema de líneas de vida móvil o extensible, cubiertas para lluvia y sol, sensores de carga en winche y cámaras inalámbricas sobre Plataformas que proporcionen información durante la operación de izaje. g) Además, se recomienda hacer un análisis de actividades de personal y movimientos de materiales sobre las Plataformas de Operación en busca de mejoras de rendimientos y reducción de riesgos laborales. h) La ejecución de este proyecto demandó el análisis de varias alternativas que fueron desechadas o mejoradas gracias a la interacción del autor con los expertos en metodologías de obras civiles de hormigonado, similares a la Bocatoma. Así, es de vital importancia ejecutar una defunción conceptual clara de lo que se pretende en la operación. Esta definición debe ser elaborada al inicio en conjunto con los expertos en obras de hormigón. i) Las actividades de diseño en proyectos de infraestructura grandes, del tipo de estos proyectos hidroeléctricos, demanda de los profesionales de Ingeniera Mecánica a tener fundamentos en

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obras de construcción civil, por ejemplo: fundamentos de Geomecánica; fundamentos en diseño de anclajes en Hormigón o Roca; fundamentos de equipos o maquinaria de construcción; Metodologías constructivas; entre otras. Por lo tanto, se recomienda incorporar temas similares en alguna materia del pensum de la carrera de Ingeniería Mecánica.

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BIBLIOGRAFIA [1]

ANSI/AISC 360-05: Specification for Structural Steel Buildings

[2]

ASCE/SEI 7-05: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures

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Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers (11th Edition), McGraw Hill 2007. Secciones 5.1 y 5.2.