EXPANSIÓN DEL SERVICIO DE DESAGÜES CLOACALES SISTEMA BERAZATEGUI

Primera Etapa Planta de Pretratamiento

MEMORIA DE CÁLCULO COMPUERTAS DE ENTRADA (MC-ME-BPS-02-A)

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INDICE

1. OBJETO 2. DESCRIPCIÓN 3. DATOS DE DISEÑO 4. MATERIALES Y TENSIONES ADMISIBLES 5. CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA DE LA COMPUERTA 5.1 Método Gráfico 5.2 Dimensionamiento de las vigas principales 6. CÁLCULO DEL ESPESOR DEL ESCUDO 7. PESO PROPIO DE LA COMPUERTA 8. ESFUERZOS PRINCIPALES PARA EL IZAJE DE LA COMPUERTA

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1. OBJETO El objeto de la presente memoria es el precálculo estructural y la determinación de la fuerza de izaje de las compuertas planas a instalarse en la Entrada del Canal de Ingreso a la Planta, correspondiente a la Planta Pretratamiento Berazategui de AySA.

2. DESCRICIÓN

El sistema de compuertas consiste en tres compuertas que operan en cada uno de los tres vanos de la derivación del canal existente (denominado “cámara de aspiración” en los planos OSN), que vincularán a la misma con el canal de entrada a la planta de tratamiento. La sección del vano a cubrir presenta una altura de 10 m, (entre cota 7,31 mOSN y 17,30 mOSN) por un ancho de 1,90 m o 2,20 m respectivamente sea la compuerta central o las laterales.

Cada compuerta consiste en paneles metálicos tipo stop log que operan en conjunto. La colocación y el izaje de los paneles de cada una de las compuertas se realizará con la ayuda de una viga pescadora, aparejo eléctrico y monorriel.

Las compuertas deslizan en guías de acero inoxidable que además de servir de apoyo ofician de superficie de sellado.

En la parte superior de cada panel se dispondrán los cáncamos para la viga de izaje y el dispositivo para las barras de traba. En los bordes laterales llevará dos patines de teflón de cada lado que deslizan sobre el fondo de la guía.

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Todos los paneles tendrán la misma altura y su ancho dependerá del ancho de vano a cerrar y estarán diseñados para las condiciones de mayor solicitación hidráulica.

3. DATOS DE DISEÑO

El cálculo de la estructura de la compuerta lo realizaremos para la compuerta con mayor

ancho de vano, es decir, 2,20m y

se tendrán en cuenta los siguientes

parámetros de diseño:

Ancho de vano: 2,20 m Altura del vano: 10 m Altura del conjunto de compuertas stop log: 10 m Cantidad de tramos de compuertas stop log, por conjunto: 5 Ancho de la compuerta (a): 2,40 m Altura de la compuerta (b): 2 m Cota de Nivel Losa de accionamiento (CNL): +17,45 m Cota de Nivel del Máximo Pelo de Agua (CNA): +17,30 m Cota de Nivel Umbral de la Compuerta (CNU): +7,31 m Máximo tirante de agua, aguas arriba de la compuerta (CNA-CNU): 9,99 m Mínimo tirante de agua, aguas debajo de la compuerta: 0m Máxima presión diferencial (Ap): 9,99 m.c.a. Adoptamos Ap= 10 m.c.a. Presión media sobre el tramo inferior de la compuerta (p): 9000 kg/m2

Para el cálculo de las fuerzas de izaje se adoptará un desnivel máximo de 2 m.c.a, equivalente a la altura de cada panel stop log.

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4. MATERIALES Y TENSIONES ADMISIBLES

Para la estructura y escudo de la hoja de la compuerta se utilizaran los siguientes materiales:



Chapas y Perfiles: ASTM A-36 - Tensión admisible= 1000 kg/cm2

5. CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA DE LA COMPUERTA

Tratándose de una carga hidrostática sí, como suele hacerse, se desea utilizar chapa de espesor constante y vigas del mismo tipo, es necesario subdividir los tramos en altura, de modo que la solicitación en las vigas sea aproximadamente equivalente para la condición de máxima presión hidrostática. Esto se consigue fácilmente a través del método gráfico que se indica en el punto 5.1.

Las vigas se calcularán con extremos empotrados en el marco exterior. El marco de la estructura de la hoja de la compuerta se construirá con perfiles U, y las vigas interiores se fabricarán con chapa soldada.

5.1 Método Gráfico El método gráfico esta detallado en la pag. 1353 – Caso a), del libro: Construcciones Metálicas – V. Zignoli - Edición 1978. A través de este método se ubican las vigas en la altura de la compuerta de modo de que las mismas estén sometidas al mismo valor de carga hidrostática para la máxima presión diferencial (10 m.c.a.). En nuestro caso dividiremos la altura hidrostática: 10 m, en 16,66 zonas. La altura del vano es de 10 m, y considerando la compuerta dividida en cinco paneles, resulta para cada uno de ellos

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una altura de 2,00 m. Del grafico resulta que cada panel, estará dividido en seis zonas. Para el cálculo analizaremos el panel inferior por ser el más solicitado

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5.2 Dimensionamiento de las vigas principales

Cada una de las vigas de la compuerta inferior estará sometida a una carga uniformemente repartida (q) de valor:

q = pm . b / Nz = 9000 . 2 / 6 = 3000 kg/m= 30 kg/cm

Donde: Nz= Numero de zonas del tramo inferior sometidas a la presión media, en nuestro caso Nz= 6.

El momento flector máximo (Mf), para una viga con extremos empotrados sometidos a una carga uniformemente repartida, resulta: Mf = q . a2 / 12 = 30 . 2402 / 12 = 144000 kgcm

El módulo resistente necesario (Wnec), vale:

Wnec = Mf / Tadm = 144000 / 1000= 144 cm3

Tanteamos con un PNU N°18, con un W= 150 cm3, para el marco; y conformaremos un perfil T, agregando a la chapa del escudo una chapa de 9,5 mm de espesor y una altura de 260 mm. Esta chapa se soldara con cordón continuo al escudo de espesor 7,9 mm, de forma tal de conformar con el mismo, desde el punto de vista resistente, un perfil T, de las siguientes dimensiones y características geométricas:

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Perfil T soldado S= 38 cm2 Jx= 2781cm4 Wx= 159,8 cm3

Para PNU 18 S= 28 cm2 Jx= 1350 cm4 Wx= 150 cm3 G= 22 kg/m

La flecha de cálculo (fc), resulta: fc = q . a4 / ( 384 . E . I ) =

Donde: E: Módulo resistente E= 2.100.000 kg/cm2 I: Momento de inercia del perfil resistente I= 1350 cm4, para PNU N°18

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Reemplazando valores, resulta: fc = 30 . 240 4 / ( 384 . 2100000 . 1350) = 0,0914 cm

La relación fc / a, resulta: 0,0914 / 240= 0,00038  a / 1000 = 0,0024

6. CÁLCULO DEL ESPESOR DEL ESCUDO

Para la determinación del espesor del escudo, tomaremos una de las porciones del mismo, encerrada entre los perfiles horizontales y los refuerzos verticales, resultando una placa sometida a una carga trapecial (simplificaremos tomando una carga uniformemente repartida), con bordes empotrados y de aproximadamente las siguientes dimensiones:

A= 60 cm B= 34.4 cm q1= 0,872 kg/cm2

Gama= A / B = 1,74 Myvs= -0,0811 . q1 . B2 Myvs= -0,0811 . 0,872 . 34,42 = 83,69 kgcm

Tomando un espesor de placa (h) de 7,9 mm, resulta la siguiente tensión de trabajo (Tt):

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Tt= 6. Myvs / (B . h2) Tt= 6. 83,69 / (1 . 0,792)= 805 kg/cm2

La flecha máxima vale: Ws= 0,0074 . q1 . A4 / (E . h3)

Ws= 0,0074 . 0,872 . 604 / (2100000 . 0,793) = 0, 08 cm 7. PESO PROPIO DE LA COMPUERTA

El peso propio de cada panel del conjunto de cinco paneles que conforman un conjunto de compuertas, es el siguiente (ver esquema de la compuerta):

Descripción

Can t.

Espeso r

Ancho

Altura

Largo

Peso Unitario

Peso Parcial

(mm)

(m)

(m)

(m)

(Kg/mm Kg/m ó kg/ud)

(kg)

7.9

2.4

2.00

7.85

297.67

Chapa Escudo

1

Estructura Laterales: 2 UPN N°18

2

2.00

44

176.00

2

2.4

22

105.60

6

2.4

46.53

644,33

Vigas Horizontales Marco: UPN N°18 Vigas Horizontales (Chapa esp. 9.5 mm, ancho 250 mm)

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Refuerzo Vertical Chapa esp. 7,9x160

2

2

11.16

42,17

Prensa burletes planch.6,35x50.8 mm

4

2

2.6

20.80

Prensa burletes planch.6,35x50.8 mm

4

2.4

2.6

24.96

Varios

1

Patines Frontales Principales Patines Frontales Secundarios Patines Laterales

100.00

2

2

5.8

23.20

4

3

12.00

4

3

12.00

Peso Total

1458.73

Por lo tanto adoptamos como peso de cada uno de los paneles del conjunto, Pp= 1500 kg

8. ESFUERZOS PRINCIPALES PARA EL IZAJE DE LA COMPUERTA

Los esfuerzos principales que hay que vencer para la maniobra de izaje de cada panel de la compuerta, son los siguientes:

a) Peso Propio (Pp): Pp= 1500 kg

b) Por resistencia de rozamiento:

Para evaluar la resistencia de rozamiento total consideraremos la resistencia producida por el rozamiento de los patines de deslizamiento a causa de la presión media (Fr1) y la originada por el rozamiento de los sellos (Fr2). 12

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b.1 Por patines de deslizamiento:

La resistencia de rozamiento (Fr1) de los patines de deslizamiento, a causa de la presión media (p) en kg/m2, que actúa sobre la superficie total (A) en m2, correspondiente a cada panel de la compuerta, resulta:

Fr1 = f . p . a . b =

Donde:

f: Coeficiente de rozamiento. Para Teflón-Acero f: 0,09

p: Presión media sobre la hoja de la compuerta de altura 2 m. Resulta p= 1000 kg/m2

a: Ancho de la compuerta, a= 240 cm

b: Altura de la compuerta, b= 200 cm

La fuerza de rozamiento (Fr) en kg, resulta:

Fr 1= 0,09 . 1000 . 2,40 . 2,00 = 1037 kg

b.2 Por rozamiento de sellos:

La fuerza de rozamiento a causa del deslizamiento de los sellos (Fr2), durante la operación de izaje, resulta:.

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Fr2 = f . p . a . b Donde:

f: Coeficiente de rozamiento. Para Goma-Acero f: 0,4

p: Presión media sobre los sellos, para producir el sellado de la compuerta. Se estima una presión media de 500 Kg/m2

a: Ancho de la compuerta, a= 240 cm

b: Altura de la compuerta, b= 200 cm

Fr 2= 0,4 . 500 . 2,40 . 2,00 = 960 kg

La fuerza de rozamiento total, resulta:

Fr= Fr1 + Fr2

Fr= 1037 + 960= 1997 kg

c) Acción del agua en movimiento contra la zona inferior de la compuerta, que puede considerarse, por término medio: Apm= 0,01 . ( Ap – t ) . t / Ap =

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Donde:

t: altura de apertura de la compuerta en cm. Adoptamos t= 5 cm

Ap: Desnivel máximo con el que se operará la compuerta. Ap= 200 cm.

Reemplazando, resulta: Apm= 0,01 . ( 200 –5 ) . 5 / 200= 0,0488 kg/cm2

Por lo que el esfuerzo total (Pam), en kg, resulta

Pam= f . Apm . a . bo

Donde bo= Ap – t = 200 – 5 = 195 cm

f= 0,1

Pam= f . Apm . a . bo = 0,1 . 0,0488 . 240 . 195 = 228,15 kg

Combinación de esfuerzos máximos

a) El esfuerzo total máximo partiendo de la posición totalmente cerrada, vale:

Ftmax.= Pp + Fr = 1500 + 1997 = 3497 kg

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b) Con 5 cm de apertura de la compuerta, el esfuerzo resulta:

Ftmax.= Pp + Fr + Pam = 1500 + 1997 + 228,15= 3725 kg

Para el diseño del sistema de accionamiento incrementaremos este esfuerzo en un 25%, resultando:

Ftdiseño= 1,25 . Ftmax.= 1,25 . 3725= 4656 kg

Por lo tanto, la capacidad del aparejo eléctrico a instalar para el izaje / descenso de cada panel de compuerta se deberá tener una capacidad de 5000 kg.

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