Cartula de Documento Tcnico - General

INFORMEN11CC28-F2-MN-70138-MDCES02-3370-001

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MCE ESTACION BOMBEO A RT2 DE 20

INFORMEN14CC22-F1-MN-44400-CRTME02-3370-001

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MCE ESTACION BOMBEO A RT3 DE 20

INGENIERA BSICAOBRAS VARIAS PROYECTOS TALABRERELAVES CONVENCIONALES CONTRATO N 4501477258CORPORACIN NACIONAL DEL COBRE DE CHILEVICEPRESIDENCIA DE PROYECTOS

MEMORIA DE CLCULO ESTRUCTURAL ESTACIN DE BOMBEO A RT

N11CC28-F2-MN-70138-MDCES02-3370-001

C11-12-2014RevisinCVYFRFJAM

B25-11-2014Revisin CVYFRFJAM

A19-11-2014Revisin internaCVYFRFJAM

REVFECHAEMITIDO PARAPORREV.APR.APR.

EMPRESA DE INGENIERACODELCO

N MN-VP-IBTT-06

Pg. 1 de 20

MN-VP-IBTT-LART-02-MEM-001REVB

APROBACIONES

MN INGENIEROSFIRMAFECHA

Preparado porCVY

Revisado porFRF

Aprobado porJAM

CODELCOFIRMAFECHA

Aprobado por

Contenido1Introduccin32Alcances33Normas y Estndares de Diseo34Bases de Clculo y Criterios de Diseo4

4.1Materiales y Suelo de Fundacin44.2Mtodos de Diseo44.3Modelo Estructural54.4Cargas de Diseo84.4.1Cargas Permanentes (D)84.4.2Peso de Techumbre (PPt)84.4.3Sobrecargas (SC)84.4.4Carga de Viento (V)84.4.5Carga de Operacin (Op)94.4.6Cargas Ssmicas (S)104.4.7Combinaciones de Carga115Diseo de Galpn11

5.1Esfuerzos Mximos Elementos Resistentes115.2Diseo de Elementos Resistentes Principales115.3Diseo de Fundacin145.3.1Verificacin al Volcamiento166Diseo de Losa-Radier16

6.1Verificacin Geotcnica177Diseo Fundaciones de Bombas Centrfugas17

7.1Control de Vibraciones177.2Fuerza Ssmica sobre Equipos187.3Verificacin Geotcnica18

Introduccin La Vicepresidencia de Proyectos de Codelco Chile, a travs de la Gerencia de Proyectos de Relaves, ha contratado a MN Ingenieros Ltda. para el desarrollo del servicios denominado Ingeniera Bsica Obras Varias Proyecto Talabre Relaves Convencionales y Relaves Espesados, del proyecto Construccin Sistema de Espesamiento de Relaves Talabre Chuquicamata.El tranque Talabre, se ubica a unos 12 km al sureste de Chuquicamata y actualmente recibe 182 ktpd de relaves provenientes de las divisiones Chuquicamata CH y Ministro Hales MH. En el futuro, acorde a programa de Codelco, el tranque recibir adems los relaves provenientes de la Divisin Radomiro Tomic RT.El alcance del Servicio respecto a las obras relacionadas con el depsito de relaves espesados, se enmarca en el diseo a nivel de ingeniera bsica de los muros de contencin de Talabre, y sus obras asociadas, necesarios para albergar en el largo plazo todos los relaves generados por el Distrito Norte.

El presente informe corresponde a la memoria de clculo estructural de la estacin de bombeo del sistema de impulsin de aguas claras desde el tranque Talabre hacia RT.

Alcances La presente memoria de clculo a nivel de ingeniera bsica, contempla el anlisis estructural, diseo y verificacin geotcnica de las fundaciones, para las siguientes obras que componen la estacin de bombeo:

Estructura metlica de galpn para proteccin de equipos y operacin, con puente gra para el levantamiento y traslado de equipos. Estructura de soporte tipo radier Fundaciones de equipos, que funcionan en forma independiente del radier.

Normas y Estndares de Diseo American Concrete Institute (ACI), Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 318-2010). American Institute of Steel Construction (AISC), Specification for Structural Steel Buildings, Allowable Stress Design. Association of Iron and Steel Engineers (AISE), Guide for the Design and Construction of Mill Buildings, (Informe Tcnico N 13, 2003, AISE). Design of Structures and Foundations for Vibrating Machines, (Suresh Arya, Michael Oneill, George Pincus, 1979). Criterio de Diseo Corporativo Estructural (DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-0001-0, Codelco). NCh 203, Acero para Uso Estructural. Requisitos NCh 427, Especificaciones para el Clculo de Estructuras de Acero para Edificios. NCh 432.Of71, Clculo de Accin del Viento sobre las Construcciones. NCh 1537.Of86, Cargas Permanentes y Sobrecargas de Uso. NCh 2369.Of2003, Diseo Ssmico de Estructuras e Instalaciones Industriales. NCh 3171.Of2010, Diseo Estructural, Disposiciones Generales y Combinaciones de Carga. Manual de Diseo para Estructuras de Acero (ICHA, Edicin II).

Bases de Clculo y Criterios de DiseoMateriales y Suelo de Fundacin Hormign Estructural H30:

fc = 250 (kg/cm2)HA = 2.4 (Ton/m3), peso especficoE=15270*(fc)1/2, mdulo de elasticidad (kg/cm2)C=0.5fc, esfuerzo admisible a la compresin

Acero de Refuerzo A63-42H:

fy = 4200 (kg/cm2), tensin de fluencias = 0.6*fy = 2520 (kg/cm2), esfuerzo admisible del acero

Acero Estructural A42-27ES:

fy = 2700 (kg/cm2), tensin de fluenciafu = 4200 (kg/cm2)A = 7.85 (Ton/m3), peso especfico

Suelo de Fundacin:

Las tensiones admisibles y parmetros del suelo de fundacin corresponden a las utilizadas en la ingeniera bsica preliminar y son las siguientes:

adm. esttico =1.0 (kg/cm2)adm. dinmico =1.5 (kg/cm2)Kb = 3 (Kg/cm3)(constante de balasto) =35(ngulo de friccin suelo fundacin)relleno = 2.0 (Ton/m3), peso especfico relleno

Mtodos de Diseo Estructuras de Hormign Armado: Sern diseadas por el Mtodo de Resistencia ltima.

Estructuras de Acero: Sern diseadas por el Mtodo ASD (Allowable Stress Design).Modelo Estructural Galpn: El galpn corresponde a una estructura metlica conformada por marcos de acero arriostrados, unidos por vigas puntales, con cubierta de techo y muro. Posee 10 m de ancho y 19 m de largo (Figura 4.3.1 y 4.3.2).

El galpn recibe un puente gra con sus respectivas vigas porta riel.

El anlisis estructural del galpn se realiza por el mtodo de elementos finitos sobre un modelo 3D en SAP2000. Posteriormente se verificarn los elementos estructurales principales.

Puente GraViga Riel IN30x69Columnas HN30x64.7Viga superior Cajn 300x300x6Viga Puntal Cajn 150x100x3Costanera CA150x75x15x4Figura 4.3.1. Corte tipo estructura de galpn.

Soporte tuberasRadierSoportes BombasFundaciones GalpnViga Amarre

Figura 4.3.2. Distribucin de equipos en planta.

Figura 4.3.3. Modelo de galpn en SAP2000.Radier: corresponde a una losa de espesor 30 cm, apoyada sobre suelo compactado y que acta en forma independiente respecto de las fundaciones de las bombas. Una planta esquemtica puede visualizarse en la Figura 4.3.4.

Machones de Soporte tuberas

Figura 4.3.4. Planta esquemtica de radier.

La losa de radier se modela con malla de elementos finitos en software SAP2000, apoyada sobre un suelo tipo medio elstico representado por resortes de constante igual al mdulo de balasto, actuando en forma proporcional a las superficies de apoyo.

Figura 4.3.5. Modelo de losa radier en SAP2000.Fundaciones de Bombas: las fundaciones de las bombas funcionan en forma independiente respecto de losa radier, por medio de un sello elstico perimetral.

Figura 4.3.6. Corte esquemtico de radier.

Cargas de DiseoCargas Permanentes (D)Corresponde a las cargas muertas y se calculan como el producto del volumen de los elementos por su peso especfico.

Peso de Techumbre (PPt)Representa el peso de la techumbre y corresponde a una cubierta de zon alum de 2.76 (Kg/m2).

Sobrecargas (SC)Sobrecarga de Techo (SCt): Se considera una sobrecarga de 100 (kg/m2) sobre la cubierta de techos, con un coeficiente de reduccin Co=0.42 para una inclinacin de techo de 14, de acuerdo a NCh 1537.Of86.

SCt = Co*CA*qk = 42 (Kg/m2)

Sobrecarga de Piso (SCp): Se considera una sobrecarga de piso (en radier) de 611.8 (Kg/m2), correspondiente al caso de fbrica con maquinaria pesada (Tabla 3 NCh1537.Of86).

Carga de Viento (V)Se considera carga de viento de acuerdo a criterios de NCh432.Of71, para una velocidad mxima de viento u= 162 (Km/H), segn Tabla 2.1 de Criterio de Diseo Corporativo Estructural (Codelco-Chile), correspondiente a las condiciones ambientales de la zona norte.Luego la presin bsica de viento queda expresada segn:

La forma de aplicacin de la presin bsica se adoptar segn la Figura 4.4.1 (Figura 9a, NCh432.Of41).

Figura 4.4.1 Distribucin de presin del viento sobre la estructura.

Nota: = 14 (inclinacin del techo)

Carga de Operacin (Op)Corresponde a las solicitaciones producidas por la operacin de levantamiento y traslacin de equipos mediante el puente gra.

Cargas de Operacin por Levante (OP1):

Estas cargas son representadas por las reacciones mximas y mnimas (RMAX y RMIN) en las ruedas del carril y son caractersticas del puente gra. Para este caso se ha seleccionado una gra monorriel ELV/ELK, con polipasto de cadena GM 816 l6 FEM 4 m, con capacidad para levantar 1600 Kg (Peso mximo de cada bomba = 1143 Kg).

Los valores de R corresponden a:

RMAX = 1.16 Ton (por cada rueda)RMIN= 0.35 Ton (por cada rueda)

Figura 4.4.2 Reacciones mximas y mnimas en ruedas del carril.Cargas de Operacin por Impacto (OP2):

Los impactos por frenado y traslacin de las cargas por el puente gra son determinados por el Informe Tcnico N 13, (AISE, 2003), de acuerdos a los siguientes criterios:

Impacto Vertical (Iv): 25% de la carga mxima por rueda (Iv=0.29 Ton)

Impacto Longitudinal (ILong): 20% de las cargas mximas sobre ruedas (ILong= 0.232 Ton).

Impacto Lateral (IL): 10% de la capacidad mxima de levante del puente gra (IL=0.16 Ton)

Se estiman dos casos para la aplicacin de cargas de operacin:

Caso1: cargas de operacin aplicadas en la viga monorriel en el plano del segundo marco estructural.

Caso 2: cargas de operacin aplicadas en la luz media de la viga monorriel, entre marcos.

Cargas Ssmicas (S) Las cagas ssmicas son determinadas a travs un anlisis esttico lineal, segn norma NCh2369.Of2003.

Las fuerzas ssmicas sern repartidas proporcionalmente en los marcos del galpn, en sentido X e Y, y aplicadas en el hombro del marco estructural.

Zona ssmica(*):2Suelo tipo: IIAo=0.3g(Aceleracin efectiva mxima)=0.02 (Razn de amortiguamiento)I=1.2 (Coeficiente de importancia)R=5 (Factor modificacin respuesta)Cmx= 0.75(**)*C=0.75*0.26 (Coeficiente ssmico mximo)Q=C*I*P (Esfuerzo de corte basal)P=18.97 (Ton) (P. Propio+Peso techo+Peso puente gra)Qmn =0.25*I*Ao*P/g=1.71 (Ton)Q=4.44 (Ton)Fsx=1.11 (Ton)Fsy=2.22 (Ton)

(*): Zona ssmica de acuerdo a Tabla 2.1, Criterios de Diseo Corporativo Estructural, (Codelco - Chile), Condiciones Ambientales Valores Referenciales (Zona Norte).

(**): Para zona ssmica 2, el valor de C se debe multiplicar por 0.75 (NCH2369.Of2003).Combinaciones de Cargaa) Diseo Estructural en Hormign ArmadoPara el diseo de la losa radier se consideran las cargas permanentes de peso propio (D), peso de machones de soporte de tuberas y sobrecarga de piso (SCp).

C1 =1.4*(D+PPmachon)+1.7*SCp

b) Diseo de Estructural en AceroSe consideran slo los casos ms desfavorables de las combinaciones de carga del mtodo ASD (NCh 3171.Of2010).

C1 = DC2 = D+OP1C3 = D+OP1+OP2C4 = D+SCtC5 = D+VC6 = D+SxC7 = D+Sy Diseo de Galpn Se realiza el diseo de los elementos resistentes principales a travs del mtodo ASD. Esfuerzos Mximos Elementos Resistentes Los esfuerzos mximos obtenidos del modelo estructural en SAP200 para los casos ms desfavorables de carga se presentan en la Tabla 5.1.1 siguiente:

Tabla 5.1.1. Esfuerzos mximos en elementos resistentes principales.

ElementoPerfilM mx (Ton-m)V mx (Ton)N mx (Ton)

ColumnaHN 30x64.76.162.51-4.57

Viga SuperiorCajn 300x300x6-2.8-1.64-2.39

Viga RielIN 30x693.281.661.25

RiostraTL 15x300x6001.29 (T) 1.11 (C)

Viga PuntalCajn 150X100x3-0.120.060.40

(T): Traccin(C):Compresin

Diseo de Elementos Resistentes Principales A continuacin se presentan los resultados de la aplicacin del Mtodo de Tensiones Admisibles (ASD) para los elementos resistentes principales de la estructura galpn.

Columnas (HN30x64.7):

Viga Superior Marco (Cajn 300x300x6):

Viga Riel (IN 30x69):

Para el caso de la viga riel que soportar el puente gra, se verifica que exista una deformacin mxima = L/1000 (NCh 427).

Lviga = 6.33 (m) = L/1000 = 0.63 (cm)Deformacin Mxima = 0.3 (cm) OK (de anlisis estructural). Riostras (TL 15x300x6):

Viga Puntal (Cajn 150x100x3):

Diseo de Fundacin Las fundaciones del la estructura galpn corresponden a zapatas cuadradas de dimensiones 2.5x2.5 m dispuestas en cada columna. Las dimensiones generales de la fundacin pueden observarse en las figuras siguientes:

60

Figura 5.3.1. Dimensiones de zapata de fundacin (cm).

Para el clculo de las tensiones solicitantes a nivel de sello de fundacin se realiza un anlisis considerando una fundacin de tipo rgida.

Esfuerzos Solicitantes en la base de las Columnas:N1= 3.03 (Ton)V1= 2.51 (Ton)M1= 6.16 (Ton)

Esfuerzos Solicitantes en Sello de Fundacin: N= N1+PPf+Prelleno+Pradier = 17.13 (Ton)V= 2.51 (Ton)M= M1 +V*h = 9.93 (Ton-m)

N1M1V1VNMFigura 5.3.2. Corte esquemtico de zapata de fundacin.

Dimensiones Zapata: (segn Figura 5.3.1 y 5.3.2) h = 1.5 (m)B= 2.5 (m)L = 2.5 (m)A = B*L = 6.25 (m2)

Excentricidad: e=M/N = 0.58 (m) > B/6 = 0.42 (m).

Luego: (OK)

u = (B/2-e) = 0.67 (m)

max

Figura 5.3.3. Tensiones solicitantes en suelo.

X = 2.01 (m)

rea en Compresin bajo zapata: C (%) = X/B = 80%. (OK)

Verificacin al Volcamiento Para este caso se considera la colaboracin para el momento resistente, del relleno sobre la fundacin y el radier. Se compara el momento volcante en el extremo de la zapata, versus el momento resistente.

MResistente =M(N1)+M(PPf)+M(Prelleno)+M(Pradier)

MVolcante =M1+V1*h

PPF: peso propio fundacin = 8.1 (Ton)Prelleno: peso relleno colaborante = 2.85 (Ton)Pradier: peso radier colaborante = 1.71 (Ton)

MResistente = 19.64 (Ton-m)MVolcante= 9.93 (Ton-m)

(OK)

Diseo de Losa-RadierLa losa radier ha sido modelada en SAP2000 segn se presenta en Figura 4.3.5, considerndola como losa apoyada sobre medio elstico (suelo), actuando en forma independiente del sistema de fundacin del galpn y de las fundaciones de las bombas.

El modelo considera apoyo sobre resortes de constante K= 3 (kg/cm3), para cada rea componente de la losa.

Las cargas solicitantes corresponden al peso propio de la losa, peso propio de los machones de soporte de tuberas y una sobrecarga de trnsito SCp = 611.8 (Kg/m2) y han sido aplicadas segn la combinacin C1 para diseo estructural de hormign armado (Acpite 4.4.7). Resultados del Modelo: Los esfuerzos mximos sobre la losa quedan determinados segn la siguiente tabla.

Tabla 6.1. Esfuerzos mximos sobre losa de fundacin.

Esfuerzo Mximo TipoUnidadValor

Reaccin VerticalTon349.8

Corte VerticalTon/m0.77

Momento X-XTon-m/m0.28

Momento Y-YTon-m/m0.62

Finalmente se verifica que todos los resortes se encuentran en compresin, por lo tanto no se producen tracciones en el suelo de fundacin. Verificacin GeotcnicaLa tensin solicitante sobre el suelo corresponde a un anlisis esttico, ya que no existen cargas horizontales que generen momento o volcamiento de la estructura.

N = P. propio losa + P. machones + SCp = 232.58 (Ton) A losa = 167.3 m2e losa = 0.3 me machn = 0.7 mA total machones = 5.84 m2

= 0.14 (Kg/cm2) adm = 1 (Kg/cm2), (OK)

Diseo Fundaciones de Bombas CentrfugasLas fundaciones de las bombas centrfugas corresponden a bloques de hormign armado, fundados en forma independiente de la losa de fundacin, con dimensiones de acuerdo a las siguientes figuras:

Figura 7.1. Dimensiones de fundaciones de bombas centrfugas.

Control de VibracionesUn diseo preliminar para verificar el control de vibraciones, de modo que no se produzca resonancia, se realiza de acuerdo a los criterios de Design of Structures and Foundations for Vibrating Machines. Segn ste, la masa del bloque de fundacin debe ser al menos 3 veces la masa del equipo para evitar el efecto de resonancia.

Peso del Equipo (Pe)Bomba:121 (Kg)Placa Base:130 (Kg)Acoplamiento 10 (Kg)Proteccin acoplamiento:2 (Kg)Motor:880 (Kg) Total:1143 (Kg) = 1.14 (Ton)

Peso Bloque Fundacin (PB) = V*HA=4.15 (m3)*2.4 (Ton/m3) = 9.9 (Ton)

V: volumen de bloque de hormign armado (soporte bomba)

Por lo tanto: PB/Pe= 8.7 > 3 OK (No existe resonancia)

Fuerza Ssmica sobre EquiposLa fuerza ssmica producida por equipos se determina segn los criterios de NCH2369.Of2003, especficamente de acuerdo al punto 7.2.3 de la Norma:

Donde:

Fp:Fuerza ssmica horizontal de diseo para equiposak:Aceleracin en el nivel k en que est montado el equipoPp:Peso del equipo = 1.14 (Ton)Kp:Coeficiente = 2.2Rp:Factor de modificacin de la respuesta del equipo (segn Tabla 7.4, NCh2369)

Ak=4*Ao/g

Ao = 0.3gRp= 3 (equipos elctricos y mecnicos en general)

Fp mn 0.8*Ao*Pp/g (fuerza ssmica de diseo mnima)

Por lo tanto:

Fp = 0.7 (Ton) (aplicada a la altura del eje de la bomba).

Verificacin GeotcnicaLas solicitaciones a nivel del sello de fundacin de la bomba correspondern tanto al peso propio de la estructura de soporte y equipos, as como a la fuerza ssmica calculada en el acpite anterior.

Se realizar la verificacin en direcciones X e Y, de acuerdo al esquema de las Figuras 7.3.1 y 7.3.2.

Figura 7.3.1. Ejes de referencia diseo de fundaciones de bombas (planta).

MNVFph

Figura 7.3.2. Ejes de referencia diseo de fundaciones de bombas (elevacin).

(h = 1.94 m)

Nota: se supone que el centroide de la bomba coincide con el centroide del sello de fundacin.

Fuerzas Solicitantes en Sello de Fundacin:

N = PB+Pe = 11.04 TonV = Fp = 0.7 TonM=V*h = 1.36 Ton-mA = 3.44 m2 (rea sello fundacin)

Verificacin en Eje X

ex = M/N =0.12 m < L/6 = 0.46 m (100% del rea de fundacin sometida a compresin)

Tensin Solicitante:

Verificacin en Eje Y

ey = M/N =0.12 m < L/6 = 0.21 m (100% del rea de fundacin sometida a compresin)

Tensin Solicitante: